图像采集和处理已经成为了现代工业控制中必不可少的环节。传统的方法一般采用的是图像采集卡加工控机来实现整个系统。但随着嵌入式技术的发展，芯片的性能大大增强，嵌入式系统在工业控制系统中普及。作为前端的图像采集系统此时就不适宜再以图像采集卡的形式出现，而应当以更加简捷，方便的接口与主系统相连。

       本设计使用Alera的FPGA实现了整个图像采集系统。整个系统完成了图像的采集、压缩和传输。系统采用流行的工业总线CAN做为其传输总线，不仅接口简易，成本低，而且可靠性较高。

 系统描述

        本设计中图像采集系统预期的目标是每秒采集2～3幅30万像素（640×480）的图像，压缩后通过CAN总线进行传输。按照1:8的压缩比计算，压缩后每帧数据量大约为0.3MbCONTROL ENGINEERING China版权所有，CAN总线峰值传输速度是1Mb/s，因此这样的一个总体的设计方案是可行的。

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p;     根据系统所实现的功能，决定整个系统要包括六大模块，分别是图像采集及存储接口、I2C主控制模块（对SAA7113H进行配置）、JPEG编码器、CAN总线控制器、Wishbone总线和中央控制模块。图1为系统的结构框图。

图1 系统结构框图

       摄像头产生的原始模拟图像数据流首先通过SAA7113H转换为数字信号，并携带有一定的同步及控制信息，传入FPGA内部异步FIFO内。图像采集及存储接口从异步FIFO读取数据并分析，提取所需要的保存至外部SRAM中，当存满一帧数据时www.cechina.cn，便可以进行压缩了。当JPEG编码模块压缩好数据后，便等待CAN总线进行传输，最后直至整帧数据处理完毕。

       整个系统的实现大约是60～100万门左右，因此可以采用Altera CycloneII系列中器件的EP2C20，它拥有2万个LE，24万左右的存储单元和52个乘加单元。系统Fitter之后的结果如表1所示，占用了芯片63％的逻辑资源和12％存储资源。在这其中，JPEG编码模块以及JPEG模块与Wishbone总线的接口占用了绝大多数部分资源。可以看出，使用EP2C20实现本文所描述的系统还是非常富余的。

图2 PCB调试样板

        图2为最后制成的样板，这块样板上还包括了一些便于调试和其他研发目的的额外部件，真正产品的PCB板将会更加小巧。

视频信号采集及存储接口

        本设计采用Phillips的SAA7113H芯片做模拟视频信号的采集。它的功能非常强大，最多可同时采集4路CVBS格式的视频数据。它通过VPO口输出数据，并支持多种视频格式输出控制工程网版权所有，同时在输出数据流中包含同步信息和场信息，接口比较简单。

       VPO的数据输出与27M时钟同步的控制工程网版权所有，这与JPEG encoder采用30M内部系统时钟处于两个时钟域。因此，使用异步FIFO进行跨时钟域的数据传递。

       数据采集以后便是对其进行识别和存储。从SAA7113H传出数据的最小单位是一个扫描行，以0xFF 0x00 0x00为标识，并且在行首尾分别有SAV（start of active video）和EAV(end of active video)字段。SAV和EAV中含有该扫描行是否是有效行，属于第几场这样的信息。JPEG编码器需要的数据是一整幅图像，即一个场对。因此对采集的图像，需要使用帧解码（Frame Decoder）子模块处理原始数据流中的同步信息，垂直扫描消隐信号。

       本设计的存储器件使用了一块4Mb的SRAM，正好可以保存一副未经压缩的30万像素的图片。对SRAM存储和读取地址的产生应该完全采用不同的方式控制工程网版权所有，在本设计中分别采用两个子模块分别负责这两项功能。Frame Decoder输出的数据在存入SRAM时是按照行的顺序逐个存入，而JPEG encoder在读取的时候则应该是按照对像素处理顺序——以8×8块的方式读出。整个读写由控制