一种基于ARM和FPGA的嵌入式高速图像采集存储系统设计与实现

现代化生产和科学研究对图像采集系统要求日益提高。传统图像采集系统大都是基于PC机上，而在一些特殊的场合，尤其是在实时性要求较高时，普通的PC机显然无法满足应用要求。它主要包括图像采集模块、图像处理模块以及图像存储模块等。

1 系统结构及工作原理

本系统的结构模型，如图1所示。图像采集模块负责采集原始图像，并将原始图像数据送给FPGA，采用了可编程视频输入处理器SAA7113H。一帧图像采集完成后，ARM将图像数据通过FPGA取出，进行必要的处理，并形成图片文件存到CF卡中，本系统选用了Philips公司的LPC2214。

图像采集芯片将原始图像数据传到FPGA，FPGA将图像原始数据暂存于SRAMl中，当一帧图像存储完后，下一帧图像数据存于SRAM2中。同时，将SRAMl中的数据送给ARM，ARM在对原始图像进行必要的处理后，将图像数据以图片文件的方式存储在CF卡中。这样就实现了嵌入式高速图像采集和存储功能，用户可以很方便地将CF卡上的图片上传到PC机中进行进一步的分析和处理。

2 系统硬件设计

2.1 图像采集模块

用可编程视频输入处理器SAA7113H进行视频信号处理。SAA7113H内部集成了强大图像色度、亮度处理功能以及多种输出模式；有32个工作寄存器，在系统复位时，必须通过I2C总线对其进行初始化。本系统使用灰度图像，没有使用色度信号，所以数据线为8位。SAA7113H与FPGA的接口，如图2所示。

图像采集卡（Image Capture Card），又称图像捕捉卡，是一种可以获取数字化视频图像信息，并将其存储和播放出来的硬件设备。很多图像采集卡能在捕捉视频信息的同时获得伴音，使音频部分和视频部分在数字化时同步保存、同步播放。

图像采集卡，其功能是将图像信号采集到电脑中，以数据文件的形式保存在硬盘上。它是我们进行图像处理必不可少的硬件设备，通过它，我们就可以把摄像机拍摄的视频信号从摄像带上转存到计算机中，利用相关的视频编辑软件，对数字化的视频信号进行后期编辑处理、比如剪切画面、添加滤镱、字幕和音效、设置转场效果以及加入各种视频特效等等，最后将编辑完成的视频信号转换成标准的VCD、DVD以及网上流行媒体等格式，方便传播。

2.2 FPGA模块

FPGA主要作用是把图像采集芯片传过来的图像原始数据，采取乒乓操作的方式，暂存于两片SRAM中。当FPGA开始接收第一帧图像时，把该帧图像根据FPGA内部生成的地址存储在SRAMl中，一帧图像接收完毕后，向ARM传送。同时，把下一帧图像暂存于SRAM2中，然后传给ARM，依次循环。这样就可以实现图像的高速采集。本系统选用了Alter公司的EPlK30TCl44—3，它采用EECMOS技术，144引脚TQFP封装，容量为10万门，具有高密度、低成本、低功耗的特点。FPGA的内部结构包括时钟驱动模块、SAA7113H控制模块、SRAM控制模块、ARM数据交换模块等。本系统中，主要针对640×480的灰度图像的采集和存储，所以选用了ISSI公司的IS6lIN25616AL，它是一种高速度、低功耗的256 kB×16的CMOS静态随即存储器，能够满足系统的实际要求。SRAM控制模块的内部结构框图，如图3所示。

2.3 ARM模块

ARM模块的主要作用是，从SRAM中取出图像原始数据，然后进行必要的处理，再存储在大容量的CF卡上，方便用户在PC机上对图像进行必要的处理操作。FPGA接收完一帧图像后，向ARM发出中断请求，ARM收到请求后，通过FP—GA将SRAM中的数据读入。一帧数据发送完毕后，FPGA发出发送完毕信号，ARM对接收到的数据进行必要的处理后，将数据存储在大容量的CF卡上。ARM与FPGA及CF卡的接口电路分别，如图4，图5所示。

3 系统的工作原理及实现

3.1 FPGA图像采集及暂存的实现

系统上电后，FPGA首先通过I2C总线对视频采集模块（SAA7113H）进行初始化，以确定其工作模式。初始化结束后，等待图像采集命令。当接收到FPGA发出的图像采集命令时，视频采集模块开始工作，FPGA依靠像素时钟和行场同步信号采集灰度图像。由于SAA7113H输出的灰度图像是8位的，而外部的SRAM是16位的，因此在FPGA中必须对采集到的灰度图像进行处理，将两个字节的数据组合，一起输出到外部SRAM中。一帧图像采集结束后，SAA7113H停止图像采集，等待下一次的采集命令。

3.2 FPGA与ARM的数据交换

为了实现图像数据的实时采集与处理，应使图像数据的采集与外部图像数据的读取同时进行。因此本系统采用双SRAM缓存结构。这样，在同一时刻，一片可用于存储图像数据，另一片可用于外部ARM对图像数据的读取。两块SRAM存储区乒乓式切换。当图像数据写满SRAMl时，FPGA向ARM发送一个中断信号，然后，AlRM响应中断并读取SRAMl中的图像数据，同时将其写入到CF卡中，图像数据将写入SRAM2，当图像数据写满SRAM2时，FPGA也向ARM发送一个中断信号。

3.3 图像数据在CF卡上的存储

CF卡内部控制器设计完全模拟硬盘，使用标准的ATA／IDE接口界面，可通过IDE接口与电脑连接，而且早已实现无驱动设计，使用非常方便。在本系统中，图像数据通过ARM存入CF卡，因此必须实现ARM对CF卡的配置、读写控制等操作。ARM对CF卡驱动的接口函数由硬件接口函数和用户使用函数组成，硬件接口函数是与系统硬件相关的函数集。主要包括硬件复位函数、ATA寄存器操作函数和ATA设备探测函数；用户使用函数包括ATA设备驱动初始化函数、查找ATA接口设备函数、读扇区函数、写扇区函数、获取设备信息、使设备立即进入待机状态和使设备立即进入空闲状态。

CF卡全称为 “ Compact Flash ” 卡，译为汉语就是 “ 标准闪存卡 ” ， CF卡是最早推出的存储卡产品，由最大的FLASH MEMORY厂商之一的美国SANDISK于1994年研发成功的。

CF卡是目前应用最为广泛的存储卡，由于它不带驱动器，也没有其它的移动部件，因此，极少出现机械故障，使存储的图像数据更加安全。CF卡的使用寿命也非常长，即使用上100多年也可以保证数据完好无损。而且CF卡耗电量小，只有普通硬盘的5%。与其它存储卡相比，容量大是CF卡的另一个优势，目前主流产品已经达到512Mb和1Gb标准。另外它还具备速度快、价格便宜等优点。CF卡的主要缺点是CF模块在设备与安装程序之间不存在互换性，不能直接运行程序，功耗大，势必会影响到电池续航时间等。

4 结束语

文中介绍了用ARM和FPGA实现的一个嵌入式实时图像采集存储系统的设计方案，本系统的工作温度为O~60℃，可以实现每秒20~30帧的视频流灰度图像采集和存储，能够满足嵌入式实时图像采集存储的应用要求，系统的持续工作时间取决于CF卡的存储容量。在本系统中，图像的采集存储脱离了PC机，使图像的采集存储真正达到了实时性和嵌入式的要求。本系统可以应用在军事射击评价、工业产品质量检测、医疗和生物等领域。