基于SOPC解决方案的嵌入式数字视音频研究开发平台的系统设计及应用

摘要

随着数字视音频产业的发展，对基于大量数据的数字视音频信号并行处理技术提出了更高的要求。传统的标准数字逻辑电路(ASSP)与微控制单元(MCU)无法适应这部分新兴的市场，而专用的数字信号处理(DSP)芯片和专用集成电路(ASIC)由于处理能力、系统复杂度、市场适应性以及系统开发成本等问题，无法跟上应用的快速变化。基于高速现场可编程器件(FPGA)的可编程片上系统(SOPC)解决方案，其并行运算能力可以使得单一设备达到高性能，在单片FPGA芯片内进行多CPU、高速DSP单元和其他IP组件的灵活运用可以实现多种信号处理功能，易于产品升级、不存在产品过时风险、开发成本低等特性可以很好的实现视音频处理电路研发的最新客户需求。 本文提出了基于SOPC解决方案的嵌入式数字视音频研究开发平台，分析了底层通用接口板结合上层二次开发选件的双层系统设计理念，阐述了系统总体设计框架，分别介绍了从底层通用接口板、基础型上层二次开发选件以及研究开发型上层二次开发选件三个部分的软硬件设计情况，以模块化的方式详细叙述了各部分的设计功能、互联结构、工作原理等内容，以具体的设计实例，全面描述了三个部分的硬件设计、系统结构设计、软件功能模块设计等内容，最后对整个系统的软硬件调试以及后续功能完善和优化作了详细叙述。 该系统基于SOPC的设计能够充分利用其可重构特性和丰富的IP系统资源，能够适应高校实验设备的重复性和多样性，以及相关科研产品功能验证或者样机研制的特点，有针对性的提供了一种面向视音频处理的技术涵盖面广，不容易过时又具有高性价比的嵌入式研究开发平台。 虽然在各项功能深化以及产业化等方面还有待于进一步提高和完善，但是通过演示功能的实现，基本完成了项目预期的设计意图，并且申请了相关技术专利，为后续的产品功能完善、尽快推向市场奠定了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.1.1数字视音频技术发展特点及趋势

1.1.2嵌入式数字视音频研究开发平台的需求分析

1.2嵌入式数字视音频研究开发平台研究的意义

1.3课题研究内容

1.4论文内容安排

第二章数字视音频研究开发平台的系统设计方案

2.1数字视音频研究开发平台的设计思想和系统总体框架介绍

2.2数字视音频研究开发平台的主要技术指标

2.2.1底层通用接口板(GPIB)的主要技术指标

2.2.2基础型二次开发选件(Basic URDO)的主要技术指标

2.2.3研究开发型二次开发选件(Development URDO)的主要技术指标

2.3基于FPGA芯片的SOPC解决方案

2.3.1 QuartusⅡ开发环境下高密度FPGA的设计流程

2.3.2利用参数化的IP模块进行嵌入式片上系统设计

2.3.3利用SOPC Builder进行用户逻辑定制和系统集成

2.3.4 NiosⅡ嵌入式软核处理器及其IDE工具的设计应用

2.3.5利用MATLAB、Simulink和Altera DSP Builder进行基于模块的设计

2.3.6使用硬件加速提高软件性能

2.4数字视音频研究开发平台SOPC解决方案的分析

2.4.1视频和图像处理多种解决方案的比较

2.4.2数字视音频研究开发平台采用SOPC解决方案的优势

第三章数字视音频研究开发平台的系统硬件设计与实现

3.1数字视音频研究开发平台的硬件总体结构

3.2底层通用接口板的硬件设计

3.2.1视频采集模块(VC)

3.2.2音频编解码模块(AC)

3.2.3通用接口板对外标准系统总线模块(GSSB)

3.2.4图像处理模块(VP)

3.2.5差分视频信号生成与切换模块(LV)

3.2.6存储模块(MEM)

3.2.7通信控制模块(CC)

3.2.8显示模块(DIS)

3.2.9电源管理模块(PM)

3.3上层二次开发选件的硬件设计

3.3.1基础型上层二次开发选件的硬件设计

3.3.2研究开发型上层二次开发选件的硬件设计

3.4系统PCB设计要点

3.4.1底层通用接口板的PCB设计

3.4.2上层二次开发选件的PCB设计

3.5数字视音频研究开发平台硬件结构安装规范

第四章数字视音频研究开发平台的系统软件设计与实现

4.1数字视音频研究开发平台底层通用接口板的软件系统设计

4.1.1底层通用接口板的软件结构与功能

4.1.2基于FPGA的视频处理程序设计

4.1.3基于NiosII软核的软件系统结构与初始化

4.1.4基于NiosII软核的I2C通信端口的模拟实现

4.2基础型二次开发选件软件系统设计(以Cyclone_Nios选件为例)

4.2.1基础型上层二次开发选件的软件结构与功能

4.2.2针对多种存储器的轻量级通用访问IP核设计

4.2.3利用SRAM芯片的轻量级通用访问IP实现多种视频特效

4.3研究开发型上层开发选件软件系统设计(以CycloneII_Demo选件为例)

4.3.1研究开发型上层二次开发选件的软件结构与功能

4.3.2多NiosII软核与系统控制

4.3.3基于FPGA的视频与音频处理程序设计

4.3.4基于NiosII软核的CF卡文件系统设计

4.3.5基于FPGA的嵌入式DSP数字信号处理模块设计

第五章数字视音频研究开发平台系统调试与优化

5.1数字视音频研究开发平台底层通用接口板系统调试和优化

5.1.1底层通用接口板软硬件调试与结构优化

5.1.2底层通用接口板功能分析与完善优化

5.2基础型上层二次开发选件的软硬件调试和功能完善

5.2.1基础型上层二次开发选件软硬件调试

5.2.2基础型上层二次开发选件功能分析与完善优化

5.3研究开发型上层二次开发选件的软硬件调试和功能扩展

5.3.1研究开发型上层二次开发选件软硬件调试

5.3.2研究开发型上层二次开发选件功能分析与完善优化

第六章总结和展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及专利

致谢

附录