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基于SOPC的远程视频图像监控系统的设计

李晋，李绍荣
电子科技大学光电信息学院，成都(610054)
E-mail：[e-mail]
摘要：提出一种基于SOPC技术的远程视频图像监控系统的设计方案。通过将NiosII软核
处理器、用户自定义逻辑模块、存储器、I/O等集成到单块低成本的FPGA上，组成一个SOPC
（片上可编程系统），实现远程视频图像监控系统。与传统的实现方案相比，该方案降低了
系统的成本，复杂性和功耗。
关键词：远程视频监控，SOPC，NiosII
中图分类号：TP334.22

1.引言
近几年来，在国民经济快速发展，人民生活质量普遍提高的背景下，在计算机、网络以
及图像处理、视频图像压缩等技术不断进步的基础上，视频图像应用系统己经越来越厂泛的
出现于政府，学校，银行，军队和家庭等各种场合中，并且呈现多样化的发展走势，越来越
多的具有数字化、网络化、实时性等特性[1]。
SOPC是Altera公司提出来的一种灵活、高效的SOC解决方案。它将处理器、存储器、
I/O口、LVDS、CDR等系统设计需要的功能模块集成到一个PLD器件上，构建成一个可
编程的片上系统。它具有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统
可编程的功能。由于它可编程的灵活性和IP(IntellectualProperty)功能模块的可重用性，易于
保证产品的差异性和缩短面市时间，它无需库存费用，也无需一次性投片费用，降低了投资
风险。因此本设计采用了Altera公司的基于NiosII的SOPC系统平台。NiosII是一种可放入
PLD的CPU软核,它是一种采用流水线技术、单指令流的RISC处理器，专门针对Altera的
PLD及SOPC系统的设计思想作了优化，只占芯片内部很少一部分逻辑单元，成本很低[2]。
2.系统功能与结构
远程视频图像监控系统的基本原理是:视频图像信号经过镜头输入后。由图像传感器转
化为电信号,A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号，再经过编解码器按一定的编解码
标准进行编解码后在CPU的控制下，按一定的网络协议送上局域网或INTERNET，CPU还
可以接收报警信号及向外发送报警信号，且按要求发出控制信号。
根据系统的功能和要求，可分成四个模块：CCD/CMOS摄像头、图像获取处理模块、
控制监控模块和网络处理模块，如图1所示。

CCD/CMOS图像获取网络处理
Internet
摄像头处理模块模块

控制监控模块

图1系统功能结构图

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3.系统硬件部分设计
系统的硬件设计原理框图如图2所示。

FPGA
NIOSIIDMA
微处理器控制器

控制信号报警、指
摄像头I2C接口
接口模块示等信号
Avalon
交换总线
模拟视频信视频输入网络接口网络

号解码模块模块模块控制器

SDRAMFLASH
接口接口

SDRAMFLASH

图2系统硬件原理框图

图2中，Avalon数据总线将NIOSII微处理器、SDRAM控制器、Flash接口模块、DMA
控制器、网络接口模块、视频输入模块等连在一起构成片上可编程系统（SOPC）。
NiosII处理器实际上是ALTERA公司提供的一个软核，通过下载到FPGA上就可以实
现一个32位RISCCPU。DMA控制器用来控制两个地址空间之间的DMA传输。SDRAM
是系统运行的主存。FLASH用来存储程序，上电后加载到SDRAM。I2C接口用来完成对
ADV7181的初始化工作。控制信号接口主要作为各种报警、指示及其它输入输出信号的控
制接口。

3.1模拟视频信号解码模块
从摄像头输入的模拟视频信号转化成数字信号需要专门的视频解码芯片来完成，本系统
采用ADV7181视频解码芯片完成对模拟摄像头的视频数据进行解码的任务，将NTSC制的
CVBS等模拟信号转化成符合ITU-R656标准的YCbCr信号。

3.2视频输入模块
模块的子模块结构示意图如图3所示：经过解码的4:2:2YCrCb格式视频信号在27MHz
像素时钟控制下输入FIFO缓冲器。彩条测试信号模块在系统测试时,给出一个非常简单的测
试模块，可以模拟为信号源，以方便系统的调试。色度转换模块将YCrCb格式转换为RGB
格式，并把它们的值写到FIFO缓冲器中。AvalonDMA把图像数据写到系统存储器
（SDRAM）中,当完成一帧写操作时,给NiosII处理器一个中断信号。

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彩条测试Avalon寄存
信号模块器从总线

27MHz象素时钟视频输入和YCrCb转换FIFO缓冲Avalon
和Y