上篇我們介紹了相關的算法原理以及外設特性，本篇我們將介紹一下基于FPGA的實時圖像邊緣檢測系統的實現方案，算法的Verilog實現以及最終實現的檢測效果。

一、 設計方案

整個系統主要分為以下5個部分：攝像頭傳感器配置部分；圖像數據采集與處理部分；圖像緩存部分；VGA顯示部分；以及PLL時鐘管理部分；如圖1所示。

圖1 系統結構圖

攝像頭傳感器配置部分

按照配置表中的參數，將攝像頭配置為分辨率為1280*720像素點、RGB565數據格式、VGA時序輸出；然后通過I2C協議將參數配置給攝像頭的每個寄存器。

圖像數據采集與處理部分

攝像頭配置完成后，在攝像頭輸出時鐘pclk驅動下，完成圖像數據的采集與處理；圖像采集模塊（capture）對攝像頭輸出的像素數據進行串并轉換，然后給到后續的圖像處理模塊，依次進行灰度轉換（rgb565_gray）、高斯濾波（gs_filter）、二值化處理（gray_bin）、Sobel邊緣檢測（sobel）；在進行二值化處理時，直接將灰度圖像二值化為0或1。

圖像緩存部分

主要是SDRAM讀寫控制邏輯（rw_control）與SDRAM接口（sdram_interface）；其中，rw_control模塊作為Master向sdram_interface發起突發傳輸請求。主要有以下幾個功能：

跨時鐘域數據緩存；

乒乓緩存控制；

SDRAM讀寫優先級的仲裁以產生讀寫傳輸請求、地址等。

sdram_interface模塊作為Slave執行Master發起的突發傳輸請求，主要是根據接收到讀、寫請求以及數據、地址等，向SDRAM芯片發起各種命令、地址、數據，實現SDRAM的數據存取。

VGA顯示部分

主要是實現1080*720@60分辨率的VGA顯示時序，驅動VGA接口的顯示器顯示處理結果。

PLL時鐘管理部分

主要是產生整個工程需要使用的幾個時鐘，100MHz的SDRAM控制器與SDRAM工作時鐘、75MHz的VGA驅動時鐘，24MHz的攝像頭xclk時鐘；圖1中使用不同的顏色對不同的時鐘域進行了標注。實際上，我們在設計SDRAM控制器時需要考慮存儲器的帶寬是否大于實際所需吞吐量。而存儲器的帶寬是由其工作時鐘頻率決定的，但由于刷新、激活、預充電的存在，SDRAM的實際存取速度比其工作時鐘頻率略小；實際所需吞吐量是指單位時間內向SDRAM寫入的數據量與從SDRAM讀出數據量之和。當存儲器帶寬小于實際所需吞吐量時，由于存取速度超過SDRAM的存取帶寬會導致數據來不及寫入或者讀出，此時無論寫數據緩沖器與讀數據緩沖器的深度設置為多大，必然會導致寫緩沖區上溢或者讀緩沖區下溢。對于高速視頻流緩存場景，這種問題會造成災難性的問題。因此，在設計SDRAM控制器時需要根據數據存取速度合理設置SDRAM的工作時鐘頻率。

二、 主要模塊分析

接下來我們對部分模塊的Verilog代碼實現方案進行簡單介紹。

高斯濾波模塊與sobel邊緣檢測模塊都涉及到二維矩陣卷積，所以如何生成一個3*3的二維矩陣是我們需要考慮的。實際上，這里我們可以調用Quartus Prime軟件自帶的移位存儲器（shift_ram）IP核，將其配置為3個tap，每個tap之間的間距為1280個數據，如下圖所示。然后對每個tap輸出的數據打兩拍即可得到3*3的像素矩陣。然后使用流水線實現像素數據與模板權重的卷積計算，既能提高實時性又能保證時序性能。

圖2 移位存儲器結構示意圖SDRAM控制器部分主要是對檢測結果進行緩沖，由于我們使用的分辨率為1280*720，即使是二值（0、1）圖像也需要兩個大小為900Kbit的RAM存儲器進行乒乓緩存，而我們使用的EP4CE6F17C8型號的FPGA片上RAM僅有270Kbit，遠遠不能滿足需求；所以這里為了保證數據完整性，選用SDRAM來實現雙緩沖。在實現乒乓緩存時，使用sop（幀起始）與eop（幀結束）來控制完整數據幀緩存或丟棄。

SDRAM接口模塊主要是配置SDRAM芯片的工作模式、存取數據，為了保證SDRAM芯片以較高的吞吐量存取數據，這里將SDRAM配置成了連續突發模式、突發長度為512。由于SDRAM的指令較多，工作時序比較復雜，這里選擇使用狀態機來設計SDRAM接口時序，狀態機設計如下圖所示：

圖3 SDRAM接口模塊狀態機轉移圖

三、 實現結果

SDRAM乒乓緩存部分仿真結果如下圖4所示；當向bank0寫完第一幀數據之后，會丟棄下一幀數據，直到bank3中的一幀數據完整讀完時才會切換讀寫bank，然后再緩存下一幀新的數據。從圖5所示仿真結果可以看到，成功實現了對SDRAM兩個Bank的交替存取，實現了乒乓緩存的效果。

圖4 乒乓緩存仿真結果

圖5 SDRAM存取仿真結果本設計最終實現結果如圖6所示，能夠實時的檢測圖像邊緣，提取出目標的輪廓，達到預期效果。但是由于光線影響等方面的原因，導致最終實現出來的效果不是非常完美。