实例分析FPGA的DSP功能提高图像处理

intevac是商用和军用市场光学产品的前沿开发商。本文介绍该公司nightvista嵌入式电子系统的开发，该产品是高性能超低亮度紧凑型摄像机。该摄像机最初采用了流行的数字信号处理器、几个assp和外部存储器件。系统对性能的需求越来越高，工程师团队决定试验一种替代方案——在可编程逻辑中实现可配置软核处理器。这一决定带来了以下好处：
　　达到了目标所要求的性能
　　在单个fpga中集成了分立的元件和数字信号处理（dsp）功能
　　功耗降低了近80%
　　将五块元件板缩减到一块，显著降低了成本
　　缩短了开发时间
　　
　　图1 intevac nightvista摄像机中cyclone系列fpga功能框图
　　dsp基于处理器的实现方法
　　nightvista电子系统的部分功能包括：
　　摄像机上电测试和初始化
　　视频传感校准和表征
　　图像增强管理的自动增益控制
　　图形、文本和水印屏显示功能
　　实时自适应对比度调整
　　gamma校正、视频停帧捕获，并存储至闪存
　　实时时钟
　　用户定义的可编程预置配置
　　通过rs-232与主机pc进行通信
　　摄像机功能和参数远
　　程更新，摄像机至主机pc视频数据传送
　　intevac开发nightvista电子产品的最初方法是采用数字信号处理器。除了处理器之外，还需要其他几个主要部件，包括ntsc视频编码器、一个rs-232接口、多个锁相环（pll）、实现各种逻辑功能的cpld，以及几个存储器（fifo、sdram和闪存）。此外，这些部件需要四个不同的工作电压（需要四个电源稳压器和不同的pcb板层），四个独立的时钟系统，以及各自的振荡器和电源去耦电路。总体上，这些部件占用了五块pcb，每一块电路板大约两平方英寸，堆叠在该摄像机两英寸见方的外壳中。
　　硬件开发了几个月之后，大家清楚的认识到该解决方案难以达到intevac为nightvista设定的性能目标，重量和功耗令人难以接受。而且，由于高密度堆叠的pcb功耗很大，带来了明显的热管理问题。intevac决定中断基于数字信号处理器的设计，转而采用基于fpga的混合逻辑和软核微处理器方案。intevac并没有使用集成微处理器可编程逻辑的经验，但是一个使用altera演示板的评估方案很有吸引力，其最新的低成本fpga能够将一个完整的32位risc处理器和存储器模块、pll以及大量的逻辑资源集成到一起，实现专用视频信号处理功能。在fpga中集成pll可以解决与电路板级多时钟系统相关的大量问题。