Tích hợp các mô-đun camera với bảng FPGA: Các trường hợp sử dụng & Hướng dẫn

Trong bối cảnh không ngừng phát triển của các hệ thống nhúng và xử lý tín hiệu số, việc tích hợp mô-đun cameravới các bảng mạch - Mảng Cổng Lập Trình (FPGA) đã mở ra một loạt các khả năng thú vị. Sự kết hợp này cho phép tạo ra các hệ thống thị giác tùy chỉnh cao, hiệu suất cao có thể được điều chỉnh cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Trường hợp sử dụng

Công nghệ robot

• Phát hiện đối tượng và điều hướng: Trong các ứng dụng robot, camera tích hợp với FPGA đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện đối tượng và điều hướng. Ví dụ, trong các robot di động tự động (AMR) được sử dụng trong kho để quản lý hàng tồn kho, mô-đun camera ghi lại hình ảnh của môi trường xung quanh. FPGA, với khả năng xử lý song song, có thể nhanh chóng phân tích những hình ảnh này để phát hiện chướng ngại vật, kệ và sản phẩm. Nó có thể xác định mã vạch trên sản phẩm, cho phép robot lấy và đặt các mặt hàng một cách chính xác. Khả năng xử lý thời gian thực của FPGA đảm bảo rằng robot có thể phản ứng kịp thời với những thay đổi trong môi trường của nó, làm cho quá trình điều hướng trở nên mượt mà và hiệu quả.

• Nhận diện cử chỉ: Đối với tương tác giữa con người và robot, camera và FPGA có thể được sử dụng để nhận diện cử chỉ. Trong một robot phục vụ hỗ trợ người cao tuổi, mô-đun camera ghi lại các cử chỉ của người dùng. FPGA xử lý những hình ảnh này theo thời gian thực, chuyển đổi các cử chỉ thành lệnh cho robot. Ví dụ, một cái vẫy tay đơn giản có thể được nhận diện như một tín hiệu để robot tiến lại gần người dùng.

Giám sát và An ninh

• Phân tích Video: Trong các hệ thống giám sát, các mô-đun camera tích hợp FPGA được sử dụng cho phân tích video nâng cao. Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ như nhận diện khuôn mặt, nhận diện biển số xe và phát hiện chuyển động. Trong một mạng lưới giám sát quy mô lớn bao phủ trung tâm thành phố, các mô-đun camera ghi lại các luồng video. FPGA trên mỗi bo mạch phân tích video theo thời gian thực, xác định các hoạt động nghi ngờ như tụ tập hoặc truy cập trái phép. Nhận diện khuôn mặt có thể được sử dụng để so khớp khuôn mặt của các cá nhân với cơ sở dữ liệu của những tội phạm đã biết hoặc người mất tích. Việc xử lý tốc độ cao của FPGA cho phép phân tích nhiều luồng video đồng thời, đảm bảo sự bảo vệ an ninh toàn diện.

• Phát hiện xâm nhập: Các camera tích hợp với FPGA có thể được thiết lập để phát hiện xâm nhập vào các khu vực hạn chế. Tại một căn cứ quân sự, mô-đun camera giám sát chu vi. FPGA xử lý hình ảnh để phát hiện bất kỳ chuyển động bất thường nào, chẳng hạn như một người leo qua hàng rào. Nó có thể kích hoạt báo động ngay lập tức, cung cấp một lớp bảo mật bổ sung.

Hình ảnh y tế

• Hình ảnh nội soi: Trong nội soi y tế, các mô-đun camera gắn vào bảng FPGA có thể nâng cao chất lượng hình ảnh được chụp bên trong cơ thể. FPGA có thể thực hiện các tác vụ xử lý hình ảnh theo thời gian thực như giảm tiếng ồn, tăng cường độ tương phản và phát hiện cạnh. Ví dụ, trong một quy trình nội soi đại tràng, mô-đun camera chụp hình ảnh của lớp niêm mạc đại tràng. FPGA xử lý những hình ảnh này để làm cho các chi tiết của mô trở nên rõ ràng hơn, giúp bác sĩ phát hiện polyp hoặc các bất thường khác một cách chính xác hơn.

• Tăng cường hình ảnh X - quang: Trong hình ảnh X - quang, các mô-đun camera tích hợp FPGA có thể được sử dụng để cải thiện chất lượng hình ảnh X - quang. FPGA có thể xử lý dữ liệu X - quang thô được ghi lại bởi mô-đun camera để tăng cường độ tương phản giữa các mô khác nhau, giúp các bác sĩ chẩn đoán bệnh dễ dàng hơn.

Hướng dẫn: Tích hợp mô-đun camera với bo mạch FPGA

Bước 1: Chọn các thành phần phù hợp

• Camera Module: Có nhiều mô-đun camera khác nhau có sẵn trên thị trường, chẳng hạn như những mô-đun dựa trên giao diện MIPI CSI - 2. Ví dụ, OmniVision OV5640 là một mô-đun camera 5 megapixel phổ biến. Khi chọn một mô-đun camera, hãy xem xét các yếu tố như độ phân giải, tốc độ khung hình và mức tiêu thụ điện năng. Đối với các ứng dụng yêu cầu hình ảnh độ phân giải cao với tốc độ khung hình nhanh, nên chọn một mô-đun có cảm biến độ phân giải cao và giao diện truyền dữ liệu nhanh.

• Bảng FPGA: Các bảng FPGA phổ biến như Digilent Zybo Z7 hoặc Terasic DE1 - SoC có thể được sử dụng. Sự lựa chọn bảng FPGA phụ thuộc vào các yếu tố như tài nguyên I/O có sẵn, sức mạnh xử lý và hệ sinh thái phát triển. Nếu ứng dụng yêu cầu một số lượng lớn các tác vụ xử lý song song, nên chọn một bảng với chip FPGA mạnh mẽ hơn.

Bước 2: Kết nối phần cứng

• Kết nối mô-đun camera với bo mạch FPGA: Nếu sử dụng mô-đun camera với giao diện MIPI CSI - 2, có thể cần một bo mạch chuyển đổi phù hợp để kết nối nó với bo mạch FPGA. Ví dụ, bộ chuyển đổi Digilent FMC - PCAM có thể được sử dụng để chuyển đổi từ FMC sang MIPI CSI - 2 và kết nối mô-đun camera với bo mạch FPGA có đầu nối FMC. Kết nối nguồn, mặt đất và các đường dữ liệu theo tài liệu hướng dẫn của mô-đun camera và bo mạch chuyển đổi. Đảm bảo rằng các kết nối được an toàn để tránh mất tín hiệu hoặc các vấn đề điện.

• Cân nhắc về nguồn điện: Cung cấp nguồn điện ổn định cho cả mô-đun camera và bo mạch FPGA. Mô-đun camera có thể yêu cầu một mức điện áp cụ thể, thường trong khoảng từ 1.8V đến 3.3V. Sử dụng bộ điều chỉnh điện áp để đảm bảo rằng điện áp cung cấp nằm trong khoảng chấp nhận được. Ngoài ra, hãy xem xét mức tiêu thụ điện năng của mô-đun camera và bo mạch FPGA cùng nhau để chọn nguồn điện phù hợp.

Bước 3: Phát triển phần mềm

• Cài đặt các công cụ cần thiết: Cài đặt các công cụ phát triển cho bo mạch FPGA, chẳng hạn như Xilinx Vivado cho các bo mạch FPGA dựa trên Xilinx hoặc Altera Quartus Prime cho các bo mạch FPGA dựa trên Altera. Những công cụ này được sử dụng để thiết kế, tổng hợp và lập trình FPGA. Ngoài ra, cài đặt bất kỳ trình điều khiển hoặc thư viện nào cần thiết cho mô-đun camera. Một số mô-đun camera có thể yêu cầu các thư viện phần mềm cụ thể để giao tiếp với FPGA.

• Viết mã FPGA: Viết mã Verilog hoặc VHDL để giao tiếp với mô-đun camera. Mã này nên xử lý các tác vụ như khởi tạo mô-đun camera, nhận dữ liệu hình ảnh và xử lý nó theo yêu cầu. Ví dụ, mã có thể cần cấu hình các thanh ghi của mô-đun camera để thiết lập độ phân giải, tốc độ khung hình và các tham số khác. Sau đó, nó nên nhận dữ liệu hình ảnh thông qua giao diện MIPI CSI - 2 và lưu trữ nó trong một bộ đệm để xử lý tiếp theo.

• Kiểm tra sự tích hợp: Sau khi lập trình bảng FPGA, hãy kiểm tra sự tích hợp bằng cách chạy một ứng dụng đơn giản. Ví dụ, chụp một vài khung hình từ mô-đun camera và hiển thị chúng trên một màn hình kết nối hoặc lưu chúng vào một thiết bị lưu trữ. Kiểm tra bất kỳ lỗi hoặc vấn đề nào trong việc chụp và xử lý hình ảnh. Nếu có vấn đề, hãy xem lại các kết nối phần cứng và mã phần mềm để xác định và khắc phục các vấn đề.

Tích hợp các mô-đun camera với bảng FPGA cung cấp một giải pháp mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Bằng cách làm theo các bước được nêu trong hướng dẫn này, các nhà phát triển có thể bắt đầu xây dựng các hệ thống thị giác tùy chỉnh của riêng họ phù hợp với nhu cầu cụ thể của họ.