现在，图画监控体系大多选用PC和视频收集卡作为体系首要部分，依据嵌入式技能的图画监控体系设备在我国还仅仅起步阶段，没有老练的产品使用。这一现状的根本原因便是我国在开发这类产品时，没有一致的开发规范和共用的开发渠道，而且没有牢靠的功用和功用测验规范，各个企业的开发技能力量涣散，极大的影响了该类产品开发的功率和牢靠性。而制造出来的产品同国外同类产品比较，功用相差太大，没有竞争力，商场根本上被国外公司所占据。因而，开发一个该类嵌入式体系势在必行。
体系总体方案
为了完结自动图画报警和图画收集，本文规划了动体检测算法，这是因为绝大多数状况下咱们只对监控区域中运动的物体感兴趣，这样能够过滤掉只包含静态布景的图画，然后下降了对有限的嵌入式硬件资源的耗费。因为活动物体大多是人，而且这也是图画监控的方针，为此加入了人体信号探测器，用以辅佐动体检测，以到达下降图画报警误报率的意图。本体系首要集成了图画收集、操控和存储等器材或芯片，组成了以FPGA为操控中心的实时图画监控体系。体系的总体方案如图1所示。
图1 图画监控体系结构图
体系作业流程为：体系上电后，FPGA从外部EEPROM自动加载程序，I2C模块对CIS进行初始化作业参数装备。CIS向FPGA输入图画数据信号，FPGA将收集的原始数据(RAW)转换成RGB格局，帧缓冲模块(Frame Buffer)每次将相邻两帧图画数据写入SDRAM，然后比较这两帧图画的差值，假如差值大于设定的阈值，而且人体探测器输出高电平，就认为检测到了外界场景的运动，体系会自动将捕获的图画输出到SD卡进行存储。图2给出了体系的作业流程。
图2 体系作业流程图
图3 电源电路原理图
体系硬件规划与完结
图画监控体系处理的数据量较大，一起还要满意实时性要求，因而板载电路需求选用容量较大，速度较快的器材。本体系收集的一帧图画分辨率巨细为640×480，色深是24位，检测时需求在SDRAM缓存两帧，因而SDRAM的容量有必要大于1.8M字节(640×480×3×2=1843200字节)，因为每个像素位宽为24位，一起NIOS是32位的处理器，所以SDRAM的位宽最好是32位。外部供给给FPGA的晶振频率有必要大于CIS的像素时钟25MHz。考虑到检测算法需求较多的逻辑资源，因而FPGA的片内LE要很丰厚，别的FPGA的管脚有必要要满意外部器材衔接的要求，在本体系中要完结一切器材的I/O口相连，FPGA的I/O管脚有必要大于150个。因为电路原理图较多，这儿只给出其间的一部分。
主操控芯片电路
本体系选用的Cyclone系列FPGA器材的详细类型是EPlCl2Q240C8。逻辑资源达12060个逻辑单元(LE，Logic Elements)，片内RAM的容量为239616bits。彻底能够满意图画收集的规划要求。其内核供电选用1.5V、0.13um工艺，功耗较低。Cyclone器材支撑各种单端I/O接口规范，如3.3V、2.5V、1.8V、LVTTL、LVCMOS、SSTL。Cyclone器材具有两个可编程锁相环(PLL)和八个大局时钟线，供给健全的时钟办理和频率组成功用，完结最大的体系功用。Cyclone器材具有高档外部存储器接口，答应规划者将外部单数据率(SDR)SDRAM，双数据率(DDR)、SDRAM和DDR FCRAM器材集成到杂乱体系规划中，而不会下降数据拜访的功用。Cyclone系列FPGA器材依据一种全新的低本钱架构，从规划之初就充分考虑了本钱的节约，因而能够为价格灵敏的使用供给全新的可编程的解决方案。
电源电路
一般来说，FPGA器材出于芯片规划、多电平接口的需求，电源都分为两组：VCCINT和VCCIO，即内核电源和I/O电源，跟着芯片内部连线规范的逐步减小，中心电源电压和接口电压也越来越低。本规划中EPlCl2器材的VCCINT为1.5V，VCCIO为3.3V。现在总的来说有三种电源解决方案，别离是线性稳压器电源(LDO)、开关稳压器电源和电源模块。
LDO线性稳压器适用于降压改换，详细效果与输入/输出电压比有关。从根本原理来说，LDO依据负载电阻的改变状况来调理本身的内电阻，然后确保稳压输出端的电压不变。其改换功率能够简略地看作输出与输入电压之比。
因为选用线性调理原理，LDO本质上没有输出纹波。与LDO比较，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较慢、简单发生电磁搅扰(EMI)。体系电源输入电压为5V，3.3V电压供电部分选用了ASl084；此外，关于FPGA的PLL作业需求的1.5V电源部分，选用AMS1117-1.5 LDO来完结。
因为Altera的PLL是模仿电路完结的，其对电源噪声比较灵敏，所以在规划PCB的时分，对给PU的供电部分要做一些特别的处理。即便在规划中没有用到PLL也有必要给其供电。
本体系中选用的EPlCl2F400C8芯片的输入输出接口电压为3.3V，内核电压下降到1.5V，这样能够下降功耗，有利于体系的安稳，但也给电源供电和其它芯片的挑选带来了费事，体系中其它芯片的接口电压有必要为3.3V，至少也要兼容3.3V，电源规划中需求考虑的首要问题是功率是否满意的问题。
SD卡接口电路
在各种存储设备中，SD卡不只细巧，而且功耗很低，别的市面上常见SD卡的容量可到达2GB以上，因而十分合适用于对体积和功耗要求严厉的嵌入式图画存储。如图4所示，SPI的两个数据线DAT0、CMD别离接上拉电阻，这是为了使本电路能够与MMC卡的接口兼容。卡的供电选用可控方法，这是为了避免SD/MMC卡进入不确定状况时，能够经过对卡从头上电使卡复位而无需拔出卡。可控电路选用P型MOS管，由FPGA的GPIO口SDPC进行操控，当SDPC输出高电平时，MOS管关断，不给卡供电；当SDPC输出低电平时，MOS管注册，VCC3V3电源给卡供电。考虑管子注册时，漏极与源极之间的压降要满意小(确保SD/MMC卡的作业电压在答应规模内)，管子答应经过的电流也要满意卡的要求，一般一张SD/MMC卡作业时的最大电流一般为45mA左右，所以选用的MOS管要答应经过100mA左右的电流。选用2SJ355的意图是当它注册时，管子上的压降比较小。
图4 SD卡电路原理图
图5 图画传感器电路原理图
卡检测电路包含两部分：卡是否彻底刺进到卡座中和卡是否写保护。检测信号由卡座的两个引脚以电平的方法输出。当卡刺进到卡座并刺进到位时，SDIN(第10脚)因为卡座内部触点衔接到GND，输出低电平；当卡拔出时，该引脚因为上拉电阻R2的存在而输出高电平，该输出由FPGA的输入引脚来检测。卡是否写保护的检测与卡是否彻底刺进到卡座中的检测原理是相同的。
图画传感器电路
图画的输入端的收集模块是CMOS图画传感器，与CCD传感器比较，CMOS传感器不只本钱远低于CCD产品。而且CMOS传感器可轻松完结较高的集成度(比方CMOS被广泛用于拍照手机的微型摄像头)，别的CMOS传感器具有超低功耗的长处。本体系图画收集用于监控范畴，关于图画的质量要求不是十分高，而对传感器的功耗要求有必要很低，而且能够直接输出体系需求的数据格局，因而本体系的图画收集部分选用了CMOS图画传感器。
在本规划中选用美光科技公司的MT9M011类型CMOS图画传感器，MT9M011是一块SXGA(super extended graphics array，超大扩展图画阵列)制式的1/3英寸自动式数字图画传感器，其有用图画序列规模为1280×1024，结合了很多数码照相机具有的功用如开窗取景、队伍跳动、快照方式等等，能够经过一个两线的串口来完结可编程操作，而且具有功耗低的特色。片载A／D转换器将供给每像素I/O位的输出精度，帧有用和行有用信号将在特定的引脚上输出，而且还配有像素时钟同步呼应的有用数据。
NiOS体系软件规划及完结
本体系的软件规划是以C言语方式在使用Altera公司的软件集成开发东西IDE所供给的硬件装备模块(HAL)的函数支撑下来完结编写的。体系发动后，进行初始化作业，初始化程序首要完结初始化DMA通道及清FIFO操控接口的FIFO缓冲器等。随后体系进入主循环状况，并检测按键。当检测到DETECT时，发动FIFO操控接口开端保存数据，当检测到data_avaible有用时，发动一次DMA传输。如此循环，直到检测到SAVE_DONE停止，就完结了图画数据的收集功用。
UART传输程序规划
uart传输程序首要是将图画数据传输到电脑进行显现，用于调试。在PC端，经过串口接纳东西和Matlab将图画显现出来。Nios II体系中，能够经过ANSI C文件操作的规范库函数来履行UART传输(uart 0)，行将UART作为文件来处理。履行进程为：翻开外设UART并取得外设旬柄——fopen()；向外写入数据——fWrite()；封闭外设——fclose()。
SD存储卡的程序规划
SD卡程序规划包含驱动程序和文件体系两部分规划。两部分经过文件体系的接口函数相衔接。驱动程序包含硬件装备模块和指令使用模块。硬件装备模块包含拜访SD卡的硬件环境装备、SPI接口完结通讯的根本函数、内存变量初始化以及SPI中止的处理。指令使用模块供给拜访SD卡的读数据函数和写数据函数。
定论
本文首要完结了嵌入式图画监控体系的规划，该体系战胜了模仿图画监控技能具有的坏处，在普通家庭、临时性作业场所中具有很强的使用远景。这些范畴一般对视频传输目标的要求不一定很高，但要求便于带着，一起功耗较小(例如临时性场合等)，具有体积小、功耗低、本钱低、速度快、安稳性好等特色，能够有用地战胜传统的依据计算机的监控体系的缺陷。体系可做为一个智能部件“嵌入”到各种使用体系中，如将其配上网络接口接上计算机体系，即可构成一个监控网络体系，是一种相对独立的OEM部件。
