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1、南京航空航天大学金城学院2014年大学生创新基金项目申报书项目名称： FPGA平台下基于Nios II的照相机系统设计 申 请 人： 许毅立 项目所属一级学科名称： 电子科学与技术 专 业： 电气工程及其自动化 学 号： 2012031205 身份证号： 320281199310146270 联系电话： 13348113217 电 邮： 指导教师: 李宝平 职称 讲师 指导教师联系电话： 13390753992 指导教师电邮： 申请日期： 2014 年 3 月 26 日 南京航空航天大学金城学院教务处 项目简况项目名称FPGA平台下基于Nios II的照相机系统设计项目类别A、科学实验和科
2、技制作、科研类； B、学术论文、社会调查类；C、其他类； 申报种类A、省级项目 B、院重点项目 C、院普通项目项目时间2014.05 - 2015.05项目经费预算5000-6000元项目负责人姓 名许毅立性 别男民 族汉出生年月1993.10.14学 号2012031205班 级20120201专 业电气工程及其自动化平均学分绩点3.2联系电话13348113217项目组成员姓 名性别学号所在系部联系电话学分绩点签 字任严炜男2012031208自动化系130576338263.45陈立刚男2012071217民用航空系181151283023.5第一指导教师情况姓名性别民族职称出生年月李宝
3、平男汉讲师1984.12最后学位最高学历所学专业-专业方向学士本科应用物理学、电子与通信工程（硕士在职在读）主要教学工作大学物理实验、电工电子技术实验、电工电子实践、信号与系统实验、模拟电子技术实验主要科学研究工作实验教学、嵌入式系统设计、可编程逻辑器件设计第二指导教师情况姓名性别民族职称出生年月朱娴女汉讲师1984.01最后学位最高学历所学专业-专业方向硕士本科电子与通信工程主要教学工作大学物理实验、数字电子技术、教学实践、信号与系统实验、电工电子技术实验主要科学研究工作实验教学、可编程逻辑器件设计大学生创新基金申报书附件创新基金项目方案（必备）附件内容：1. 项目研究的内容、目的和意义、具
4、体目标等2. 国内外的研究状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）3. 研究方法、研究方案及可行性（理工类项目填写技术路线和技术指标）4. 项目的特色与创新点（50字以内）5. 对项目的兴趣所在和已有的知识积累或实践基础6. 现有的资源7. 实施计划及预期成果8. 经费预算（其中须包括项目设计思路，项目特色和创新，项目实验条件的可行性报告，项目经费预算明细等）指导教师意见： 指导教师签字： 年 月 日系部推荐意见：系部公章 系主任签名： 年 月 日大学生创新基金申报书附件创新基金项目方案附件内容：一、 项目研究的内容、目的和意义、具体目标等本项目研究的是通过设计一个基于现场可编程逻辑器件（F
5、PGA）的32位软核处理器 Nios II，通过摄像头采集数据，呈现在显示终端上，实现实时拍照的功能。利用FPGA的高速数据处理能力，对拍照的图片实时的处理、分析、优化、美化，并保存到具有FAT文件系统的SD卡上。在SD卡上储存的照片，可以重新调用，并呈现在显示终端上。本项目是一个数码照相机的完整的实现。本项目的意义在于，首先要完成CPU的硬件设计。当今的项目中，大都采用的是现成的MCU，如单片机、STM32、ARM等，使用简便，但是定制性差、可裁剪性不强。我们这里采用FPGA作为主要的载体，设计配置一个软核的CPUNios II，这是一个完全使用硬件描述语言Verilog HDL实现的CPU
6、。我们对这个CPU进行配置，添加外设控制器，完全定制一个符合我们需要的CPU。硬件设计的部分，能使我们对CPU的工作原理有更加深刻的认识，了解片上可编程系统（SOPC）的设计方法，增强了项目的可定制性、可裁剪性，也方便今后对项目的升级和再加工。其次，本项目有较多的外设需要配置、驱动，能够加深我们对各种外设的认识，更加熟练的驱动各种外设。本项目涉及到的有高清摄像头的驱动、SD卡驱动、显示屏的驱动、按键驱动等，这些包括了摄像头数据的高速采集、显示屏的刷新显示、实时图像的采集和保存、FAT文件系统的数据存储与读取、图片的编码与解码、图片的优化处理等知识，涉及面广，每一个方面都能够充分锻炼我们的能力。
7、再次，本项目是MCU与FPGA的有效的结合。本系统的是在一片FPGA芯片上，集成了MCU，集成了高速数据采集模块，高速的编码和解码模块，是一个不折不扣的片上系统（SoC）。利用FPGA的高速数据处理能力来处理摄像头数据采集、图片的编码与解码、图片的优化与美化，利用MCU（即Nios II）实现整个系统的控制以及外设的驱动，充分发挥各自的优势。FPGA上的模块需要通过硬件描述语言Verilog HDL实现，软件的程序是要通过C语言实现。这种设计方法是未来的趋势，是电子设计的一个重要的方向，也是我们创新的一片新的领域。最后，本项目软件设计有较多的知识点，能充分提高我们的嵌入式软件设计能力。FAT文
8、件系统、bmp格式文件的编码解码、高速数据的采集都是很重要的编程技术，MCU的控制程序的设计也是有助于提升我们微控制器的应用能力。Verilog HDL和C语言的使用，分别涉及到硬件和软件的设计，应用面广，知识丰富，可以大大增强我们的设计能力，提升我们的设计水平。本项目的具体目标是最终基于FPGA平台上的软核处理器Nios II，能够成功的实现摄像头的实时数据采集显示，可以实时显示照片的参数，实时照片的编码存储，实时照片的优化美化，可以实现有FAT文件系统的SD卡的读写，并可以将拍好的照片从SD卡中读取并显示到屏幕中。最后有条件的话还要进行外观设计，自制一个完整的照相机。二、 国内外的研究状况
9、（800字左右，附不少于8篇参考文献）随着现代电子技术的发展，人们手中的消费类电子正朝着小型化、多功能化方向发展。例如数码相机不仅具有拍照的功能，还是具有实时图像处理的小型系统。这类系统具有自己的处理器、外设接口，甚至可以装入小型的实时操作系统。数码相机一般的解决方案是在板级的，也就是将微处理器芯片、DSP、外设接口这些独立的芯片集成在一块电路板上，体积大、功能单一、扩展性差。而现今多媒体控制系统、工业控制系统等大多向着SoC的方向发展，即将CPU、DSP、外设接口等数字逻辑集成在一块芯片内，结合软件设计，形成小型的多功能片上系统。相比以往的方案，SoC具有更强的功能，扩展性和可配置型强，功耗
10、低。System on Chip，简称SoC，也即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲,，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面向特定用途的标准产品。在多媒体控制系统领域，国内外很多大型厂商都有自己的SoC，像 PHILIP 公司的Nexperia PNX1500 媒体处理器、德州仪器 OMAP 媒体处理器等。它们可以运行微实时
11、操作系统进行实时管理，并具有片上独立的I/O 和协处理单元捕获格式化的数据流以及多媒体加速算法，同时还支持动态电源管理从而降低功耗保存电能。而如今开源运动的兴起，像Nios II、OpenRisc、LEON2、MicroBlaze等处理器IP核以及大量的其他IP核的出现，使得我们可以按照自己的要求设计出需要的系统。本系统的设计方法具体采用的是SOPC设计方法。SOPC（System on a Programmable Chip），即可编程片上系统。 用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特殊的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片
12、完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，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。参考文献：1 李兰英, 等. Nios II嵌入式软核SOPC设计原理及应用M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006. 912,2934,111181,187263.2 周润景, 苏良碧, 等. 基于Quartus II的数字系统Verilog HDL设计实例详解M. 北京: 电子工业出版社, 2010. 337343.3 郝建国, 倪德克, 郑燕, 等. 基于Nios II内核的FPGA电路系统设计M. 北京: 电子工业出版社, 2010. 71236.4 K
13、ernighan,B.W.（美），Ritchie，D.M.（美）著；徐宝文, 李志译. C程序设计语言M. 第2版，北京: 机械工业出版社, 2004. 111130.5 夏宇闻, 等. Verilog数字系统设计教程M. 第2版，北京: 北京航空航天大学出版社, 2008. 226251.6 聂章龙, 张静, 等. Verilog HDL与CPLD/FPGA项目开发教程M. 北京: 机械工业出版社, 2010. 14.7 陈代军. FAT32与FAT16文件系统的结构差异J. 成都信息工程学院学报，2003，18（2）： 144149.8 邓剑. FAT文件系统原理及实现J. 计算机与数字工程，2005，33（9）： 105108.9 李宏佳，徐晓晓，魏权利. 基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统研究与设计J. 电子设计应用，2007（7）： 101103.10 张明亮，张宗杰. 浅析FAT32文件系统J. 计算机与数字工程，2005,33（1）： 5659.11 Terasic Technologies Inc.
