基于FPGA的公交电子系统设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.71MB 62 页 15积分

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摘要

随着绿色、环保、安全的概念深入人心，越来越多的人倾向于选择公共交通

作为代步工具。但是公共交通在安全监控方面做的还不是很好，特别是监控范围

过小，实时性差的缺点使人无法忍受，本文针对这些缺点，提出了一种新型监控

方案，该方案以 FPGA 为主控制器，通过 I2C 接口，同时控制四路视频采集芯片，

实时监控公交车内外的各个区域，使之显示在一个显示器上，较好地实现了安全

的理念。

首先，本文先从整体上介绍了系统的结构框图，提出了以 FPGA 为主控制器

的设计方案，按照系统设计的难易程度和数据流向对系统进行了模块划分，并根

据易用、实用和性价比等因素选择了系统内各个芯片；其次，从硬件构成角度对

系统进行了分析，重点分析了系统内各芯片的重点特性及其外围电路的设计，特

别是对系统的电源部分进行了详细而又细致的介绍，该部分采用了可编程电源芯

片进行设计，提高了系统的集成度和设计的简单、有效性。接下来，对系统中的

视频采集电路进行了原理性的分析和外围电路设计，同时，对系统中的存储模块

和下载配置电路也进行了介绍；最后，从软件处理角度对系统进行了介绍，分析

了基于新一代 SOPC 设计工具 Qsys 的系统搭建，添加了 SOPC 子系统中的各个组

件，并将其集成在 FPGA 芯片上。由于主控器件对外围设备的控制是通过 I2C 总

线来实现的，因此在该部分还详述了基于 CPLD 和基于 Nios II 的I2C 设计，在文

章的最后部分，介绍了如何对采集到的图像进行了四合一处理，使之实时的显示

在显示器上。

本文通过 FPGA 实现了对四路监控视频数据的采集、存储、合成等逻辑控制

功能，并利用其 SOPC 构建工具搭建了系统的硬件环境，极大地提高了系统的集

成度和灵活性，便于后期工程的改进和升级。同时，由于 FPGA 的并行处理特点，

实时性也得到了很好的提高。

关键词：视频监控视频合成 FPGA Qsys

ABSTRACT

With the concept of green, environmental protection, safety deeply rooted, more

and more people choose public transportation as travel tools. However, the safety

control of public transport is not so good as expected since its too small monitoring

range and delay on video transmission ,this car for the current bus status monitoring

range is too small, we propose a new monitoring program, an FPGA-based controller,

real-time monitoring of bus various regions inside and outside, to achieve a good

safety idea.

Firstly, this paper introduced the system block diagram whole and proposed a

design based on FPGA as main controller. In accordance with the difficulty of the

system and the data flow, the system was designed modularly. We selected the chips

according to the principle of easy to use, practical and high cost-effective. Secondly，

this paper analyses the hardware structure of system. It focused on the main

characteristics of chips and their peripheral circuits. Especially this paper gives the

detailed introduction of the power circuits. This paper adopted the programmable chip

to power the system, which improved the system integration and simplified the design.

Tertiary, this paper analysis the video acquisition circuits originally and designed the

peripheral circuits. At the same time, storage module and download configuration

circuit are also discussed. Finally, this paper introduced the software of the system and

built the system based on a new generation of SOPC design tools Qsys .Each

components of the SOPC subsystem are added and all these components are integrated

on the FPGA chip. The main controller used I2C bus to control the peripheral

equipments, so then the I2C design based on CPLD and Nios II was described in detail.

At the end of the paper, the collected image was processed from 4 to 1 by software and

was real-time displayed on the monitor after DA procession.

Through the FPGA ,the system can collect、store and synthesize the video data

of four monitors .The hardware was built by the SOPC building tools, which increased

the system integration and flexibility. This provides great convenience for later

improving and upgrade. Also, because of the characteristics of the FPGA parallel

processing, the system real-time improved a lot.

Key words: Video monitoring, Video synthesis, FPGA, Qsys

第一章绪论 ..................................................... 1

§1.1 本课题的研究背景 .......................................... 1

§1.2 本课题的研究现状 .......................................... 1

§1.3 本课题所研究内容 .......................................... 2

§1.4 本课题的内容和结构 ........................................ 3

第二章系统整体结构及器件选择 .................................... 4

§2.1 系统的整体结构 ............................................ 4

§2.2 系统的模块分析 ............................................ 5

§2.3 系统的芯片选择 ............................................ 6

第三章 FPGA 技术及 FPGA 的开发 ..................................... 7

§3.1FPGA 技术 .................................................. 7

§3.2FPGA 的基本结构 ............................................ 7

§3.3Altera 公司的 FPGA ......................................... 9

§3.3.1 Cyclone III 系列 FPGA 芯片 ............................. 9

§3.3.2 FPGA 的设计流程 ....................................... 9

§3.4 基于 FPGA 的嵌入式设计 .................................... 12

§3.4.1 基于 FPGA 的嵌入式硬件设计 ............................ 12

§3.4.2 基于 FPGA 的嵌入式软件开发 ............................ 13

§3.4.3 基于 FPGA 的嵌入式设计流程 ............................ 13

§3.5 FPGA 的发展方向 .......................................... 14

第四章系统的硬件设计 ........................................... 16

§4.1 系统电源设计 ............................................. 16

§4.1.1 电源稳压芯片 LT4356 .................................. 17

§4.1.2 电源芯片 XRP7714 ..................................... 18

§4.1.3 电源系统设计 ......................................... 21

§4.2 视频系统设计 ............................................. 21

§4.2.1 视频解码电路设计： ................................... 21

§4.2.2 视频编码电路的设计 ................................... 24

§4.2.3 VGA 接口设计 ......................................... 25

§4.3 音频电路设计 ............................................. 26

§4.4 存储电路设计 ............................................. 27

§4.5 配置电路设计 ............................................. 29

§4.5.1 配置原理与配置方式 ................................... 29

§4.5.2 本文设计的配置电路 ................................... 30

第五章系统的软件开发 ........................................... 32

§5.1 系统 SOPC 搭建 ............................................ 32

§5.1.1 SOPC 设计思路 ........................................ 32

§5.1.2 SOPC 搭建过程 ........................................ 32

§5.2 I2C 总线实现 ............................................. 40

§5.2.1 I2C 总线介绍 ......................................... 40

§5.2.2 基于 CPLD 的I2C 总线设计 ............................. 43

§5.2.3 基于 Nios II 的I2C 总线设计 .......................... 44

§5.3 图像处理子系统 ........................................... 48

§5.3.1 视频数据的采集 ....................................... 49

§5.3.2 视频数据的拼接处理 ................................... 52

§5.3.3 视频数据的转换 ....................................... 55

第六章总结和展望 ............................................... 55

§6.1 工作总结 ................................................ 55

§6.2 未来展望 ................................................ 56

参考文献 ........................................................ 57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 59

致谢 ............................................................ 60

第一章绪论

§1.1 本课题的研究背景

当前，全世界范围都在提倡绿色、安全的概念，公共交通作为实现这一理念

的主力军所承担的意义非凡。随着电子技术的快速发展，汽车开始向电子化、智

能化和多媒体化方向发展，电子技术被越来越多的应用到了汽车系统中[1]，汽车

的电子化程度被看作是衡量现代汽车水平高低的一个重要标志，也是汽车行业新

的利润增长点[2]。据统计，上世纪八十年代汽车电子设备大约占有汽车整车成本

的5%，经过近 20 年的发展，汽车上的电子设备成本占汽车整车成本的比例已提

升至 25%左右，在一些高档轿车上甚至达到了 50%，而且汽车中约 70%的创新来

源于汽车电子技术[3

电子设备在汽车中的广泛应用，极大的提高了汽车的舒适度、安全性和整体

性能。在以前，所有的这些电子设备一般都是由汽车设计工程师采用MCU(微控

制器)和ASIC(专用集成电路)进行设计的[

]。据预测我国汽车车内的平均电子设备含量在 2012 年将增加

到40%，因此未来汽车电子市场将具有非常大的利润空间和发展前景，电子设备

供应商也不约而同地将下一个经济增长点定位在汽车电子产业上。

4]，但随着汽车电子系统越来越复杂，设

备数目越来越多，所需通用ASIC和MCU的数量急剧增加，电路体积太大，未能

实现多功能的集中控制，因此稳定性可靠性很难保证。与此同时，价格要合理，

设计风险要低，产品快速推向市场的压力在增大，产品生存周期在缩短，一个产

品设计可能需要在很短的时间内作改动以满足新的功能需求。这对于采用通用集

成电路设计的电路系统来说就需要重新设计、布线和制板，而FPGA因其能提供

更高的性能、更多的功能、更低的成本、更小的风险和更大的灵活性，更重要的

是在设计后期更易变更，甚至对己经投入应用的产品进行升级，因此FPGA毫无

疑问的必将成为未来汽车电子设计的理想解决方案[5

纵观现在汽车电子市场领域，众商家推出的电子系统解决方案功能都比较单

一，比如，有些只针对导航或者只针对车载 DVR。而把所有这些功能集合起来的

方案却很少见。于是如何把多种功能集于一身，实现系统的集中控制，同时又降

低设计成本是当前函待解决的问题。本课题即来源于这样的需求背景。我们将使

用最新的技术和最新的设计方法和理念，用 FPGA 和ARM 芯片作为主控芯片，

设计一款集成度高，功能强，性价比高的汽车电子系统，该系统集安防、娱乐、

定位、导航为一体，适应国内市场需求，具有良好的应用前景。

]。

§1.2 本课题的研究现状

汽车电子的市场巨大，前景广阔，国内外的工程师们对汽车电子的研究也越

基于 FPGA 的公交电子系统设计

来越多，各大生产厂商都纷纷推出了针对汽车领域的应用方案，希望在这个巨大

的蛋糕上分得一块。

在FPGA领域处于领先地位的Xilinx公司发表了专门面向汽车的FPGA新产品

系列“Xilinx Automotive(XA)”。Xilinx推出XA系列的目的是替代目前汽车上配备

的门阵列、微控制器、DSP等。Altera公司对汽车导航系统，远程信息系统，汽车

网关控制器，后座娱乐系统中的图形处理模块，远程信息控制器，辅助驾驶和音

频处理等方面进行了比较深入的研究。另外一家FPGA生产厂商lattice也推出了汽

车电子多媒体系统解决方案，并且还提供相应的开发套件供设计人员使用。日本

的索尼公司针对汽车领域目前共推出了XYZ77，XYZ55 和 XYZ33 三种型号的

处理器。XYZ系列处理器最大的特点是内置了硬盘，除了作为传统的汽车导航器

外，它车载多媒体信息系统中的媒体播放模块的研制还可以播放各种类型如图像、

音频、视频等多媒体文件，使其成为了一个车内的媒体中心。德国大众公司推出

的数字化多媒体视频娱乐系统，集电视、收音机、DVD/CD、MP3 和游戏功能于

一体，并且可以和 MP3 播放器、摄像机、游戏机直接连接使用。7 寸 TFT 液

晶显示屏，光盘驱动器安装在扶手箱中。另一家德国厂商飞利浦，开发了集 DVD

播放器、电视、数字多媒体广播、GPS 导航器为一体的DVR设备[6

相比于国外的这些公司，国内也出现了很多基于 FPGA 的汽车电子设计方案

和系统。比如基于 FPGA 的ABs 系统设计，汽车电子后视镜系统设计，汽车行驶

记录仪设计，对车载多媒体信息系统中信息管理模块的设计研究，基于 NIOS ii

的CAN 总线通信系统设计，基于 GPS 的汽车防盗系统设计和基于 SOPC 的汽车

仪表系统的研究设计等。

]。

比较上述的国内外同类设备，不难发现，国内产品的功能比较单一，仅仅只

涉足某一方面，集成度比较低。而国外产品功能虽然比较强大，但是几乎都应用

在高端汽车领域，很少应用在服务于大众的公交汽车上。本课题正是针对这一现

状，拟开发一款集成度高，价格相对低廉的公交电子系统，适应公共交通发展需

求。

§1.3 本课题所研究内容

本文的研究内容主要包括：

1、系统整体方案的制定，参考关于智能交通，车载电子的系统设计方案，在

此基础上制定了本文的整体设计方案。

2、鉴于电源对本系统的重要性，本文对系统的电源系统设计进行了细致和重

点分析，提出了一套高集成度和高稳定性的电源系统。

3、对图像处理方面进行了重点研究，本文研究的汽车电子系统偏向于车载系

第一章绪论

统，不同于现在市场流行的单点监控在单屏幕上显示方案，本文采用多点监控在

同一屏幕上显示的方案，提高了集成度和检测的广度。

4、对 FPGA 可编程技术进入了深入、广泛的研究。从逻辑设计到 SOPC 设

计，再到 Nios II 操作系统，本文都进行了研究。

5、介绍了系统中主要芯片的应用和电路设计，同时，对 FPGA 的配置进行

了设计。既节省了成本，又提高了下载速度。

§1.4 本课题的内容和结构

本文共分为五章：

第一章：绪论介绍了本课题的研究背景，国内外研究状况、发展趋势和本文

所作的工作。

第二章：系统的整体设计及器件的选择简单介绍了本系统的整体思路，系统

的几大重要模块，各个模块的主要功能。

第三章：FPGA 技术及 Altera 公司 FPGA 简介介绍了 FPGA 技术，概括分析

了FPGA 器件的基本结构和本文选择所选 FPGA 特点，同时，介绍了 FPGA 的开

发流程和基于 FPGA 的嵌入式设计，最后还概述了 FPGA 的未来发展方向。

第四章：系统的硬件设计本章是该文的重点，主要详细介绍了本文的硬件设

计，重点分析了电源系统、音视频系统和 FPGA 配置电路，同时介绍了外围的存

储电路。

第五章：系统的软件设计本章是本文的另一个重点，细致的介绍了本文的

SOPC 系统搭建和 SOPC 系统资源，同时介绍了基于 FPGA 的I2C 设计，包括基

于CPLD 的I2C 设计和基于 Nios II 的I2C 设计，然后分析了系统图像处理子系统

的设计，对图像处理系统中的视频采集和视频多点拼接进行了重点分析。

第六章：总结和展望对本文所做的工作进行了总结，提出不足和改进措施，

为后续工作提出指导方案。

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摘要：

摘要随着绿色、环保、安全的概念深入人心，越来越多的人倾向于选择公共交通作为代步工具。但是公共交通在安全监控方面做的还不是很好，特别是监控范围过小，实时性差的缺点使人无法忍受，本文针对这些缺点，提出了一种新型监控方案，该方案以FPGA为主控制器，通过I2C接口，同时控制四路视频采集芯片，实时监控公交车内外的各个区域，使之显示在一个显示器上，较好地实现了安全的理念。首先，本文先从整体上介绍了系统的结构框图，提出了以FPGA为主控制器的设计方案，按照系统设计的难易程度和数据流向对系统进行了模块划分，并根据易用、实用和性价比等因素选择了系统内各个芯片；其次，从硬件构成角度对系统进行了分析，重点分析了系...

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