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摘 要

本文在Quartus Ⅱ软件开发平台下，采用Nios Ⅱ软核处理器，在FPGA芯片上构成SOPC系统，再将图像算法移植到所搭建的Nios Ⅱ硬件系统中，实现了一种基于FPGA的数码相框。系统主要由图像读取模块、图像处理算法模块、音频模块和显示模块组成，其中图像读取、音频和显示模块采用了自定义IP核的方法实现，图像处理算法模块利用C语言编写相应的程序实现。实验结果表明，基于FPGA构架的数码相框系统方案有效可行，图像处理算法也达到了预期效果。

关键词：数码相框，图像处理技术，FPGA，Nios Ⅱ软核

Abstract:In this paper, on the Quartus II software development platform, Nios II soft core processor is used to form a SOPC system on FPGA chip. Then image algorithm is transplanted to the built Nios II hardware system, and a FPGA based digital photo frame is realized. The system consists of the image reading module, the image processing algorithm module, the audio module and the display module. The image reading, audio and display modules are realized by the custom IP kernel. The image processing algorithm module uses the C language to write the corresponding program implementation. The experimental results show that the scheme of digital photo frame system based on FPGA framework is effective and feasible, and the image processing algorithm achieves the expected effect.

Keywords: digital photo frame,image processing technology,FPGA,Nios II soft core

目 录

1 绪论 3

2 关键技术介绍 3

2.1 FPGA 3

2.2 Nios Ⅱ 4

2.3 QuartusⅡ 5

2.4 Verilog HDL 6

2.5 图像处理技术 6

3 数码相框总体设计方案 7

4 数码相框硬件设计 8

4.1 SD卡接口 8

4.2 存储模块 8

4.3 时钟模块 9

4.4 显示模块 9

4.5 音频模块 9

4.6 NiosⅡ软核 10

5 数码相框软件设计 11

5.1 图像读取程序 11

5.2 灰度化处理程序 11

5.3 图像缩放程序 12

5.4 图像增强程序 13

6 数码相框实现 14

结论与展望 16

参考文献 17

致谢 18

1 绪论

数码相框，顾名思义，是一种展示数码照片的相框。伴随着数码产品与手机的飞速发展，数码相框越来越受到市场的关注。数码相框具有传统相框难以企及的优势，用途广泛。伴随着数码产品的发展，今后一定会出现更多具有创意的数码相框来丰富人们的生活。近些年，由于数码相机的普及与流行和数码相机用户的急剧增加，数码照片的数量更是数以亿计。而数码相框凭借便捷的优势，即所照即所得，方便了千家万户。

相比于普通相框，数码相框显得更加的灵活多变，也为火爆的数码相片市场添砖加瓦。

数码相框有许多的特点，比如可以实现同一个相框循环展示不同的照片。根据这些特点，可以分为单功能、简单多功能、高级多功能三种。

世界上第一款数码相框于2002年在美国发布，此款数码相框是由旧金山太平洋数位公司自主研发的，被命名为MemoryFrame。价格昂贵。

2003年11月我国自主研发了第一款数码相框，被命名为捷硕数码相框。

随着数码技术的发展，数码相框的需求越来越大，因而国内出现越来越多的厂商争相研发，其中比较著名的有爱国者、纽曼等。

如今数码相框技术有了质的飞跃，实现了可以在在ARM，DSP，Nios II等专业平台上开发出了多种不同类别的数码相框。

2 关键技术介绍

2.1 FPGA

现场可编程门阵列（FPGA）是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展而来，且其技术势头不断呈现增长趋势。其是作为专用集成电路(ASIC) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA是可重新编程的硅芯片。用户无需使用电路试验板或烙铁，仅需使用预建的逻辑块、可重新编程布线资源，就能实现通过软件来自定义硬件功能以完成目标功能。用户通过在软件中进行任务开发，编译成配置文件或比特流，实现对这些芯片配置。此外，FPGA编程的方式正在改变，图形化程序框图、甚至是C语言代码转换成数字硬件电路使感兴趣但无基础的新用户能更快地学习与使用。

此外，FPGA技术有以下优势：

1、性能：采用硬件并行实现在单个时钟周期内完成多任务。

2、稳定性：相较于一次执行一个指令的固定内核的处理器系统，FPGA不使用操作系统，真正的并行执行，专注于每一项任务的确定性，稳定性明显提高。

3、成本：可编程芯片因其自身较大的灵活性和可编程、易修改的特性，可以节省大量的制造成本和组装时间。

4、长期维护：现场可升级的FPGA芯片可以反复擦写。在修改和升级时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序即可。^[3]

2.2 Nios Ⅱ

Nios Ⅱ系列嵌入式处理器是一个用户可配置的通用32位RISC嵌入式处理器，它广泛的应用于嵌入式应用。处理器以软核形式实现，具有高度的灵活性和配置性。一个典型的Nios Ⅱ处理器系统体系框图如图1所示^[2]。

图1 Nios II处理器系统体系框图

Nios的开发包括硬件开发和软件开发两部分。硬件开发是在Quartus Ⅱ中实现的，而软件开发部分是在Nios Ⅱ IDE软件中实现的。

这里所说的Nios Ⅱ处理器指的是Nios Ⅱ CPU，其不包括PSOC Builder中的Avalon总线等相关的外设。从上图中可以看出Nios Ⅱ架构定义的功能单元有：算术逻辑单元、中断控制器、数据总线、JTAG调试模块等。

2.3 Quartus Ⅱ

Quartus Ⅱ是Altera公司的综合性FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、

Verilog HDL以及AHDL等多种设计形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。如图2所示为Quartus Ⅱ基本开发流程：

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