基于FPGA人机交互系统设计.pdf

在讨论基于FPGA的人机交互系统设计之前，我们首先需要了解FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的基本概念。FPGA是一种可以通过编程进行配置的数字电路集成芯片，它可以根据设计者的需要，通过硬件描述语言（如Verilog或VHDL）来实现特定的数字电路功能，相比传统的ASIC（Application Specific Integrated Circuit）具有灵活性高、开发周期短、成本相对较低等特点。 在人机交互系统中，FPGA可以作为系统的控制核心，处理来自各类传感器的输入信号，并输出相应的控制信号，以实现人与机器之间的自然交互。本设计的主要目标是通过捕捉和处理图像数据，实现对PC的控制，具体包括鼠标移动、点击和特定键盘按键的输入等。 设计采用了友晶公司的“DE2”开发板作为主要的硬件平台。DE2开发板是一款集成了FPGA芯片的开发平台，它提供了丰富的接口和模块，为开发人员进行系统原型设计和测试提供了便利。在该开发板上，设计包括了一个摄像头模块用于实时捕捉图像，一个液晶屏用于显示图像以及系统状态，一个USB通信板用于与PC进行数据通信，以及一个PS/2接口的鼠标模块，用于替代标准的鼠标操作。 系统设计的关键技术包括图像特征点的识别，即通过图像处理技术识别出操作者的肢体动作。FPGA平台上的图像处理模块会从摄像头读取图像数据，进行图像预处理，计算每个像素点的特征值，并筛选出符合预设要求的像素点，计算这些像素点的平均坐标作为特征点坐标。这一过程涉及到图像数据的读取、缓存、还原以及特征点的提取等多个步骤。 此外，系统还涉及到了SOPC（System on a Programmable Chip，可编程片上系统）的构架设计。SOPC是将整个电子系统集成到单一芯片上的技术，它将处理器核、内存、外设和硬件加速器等集成到单个FPGA芯片中。在本设计中，SOPC系统构架允许系统通过NIOS II软核处理器来协调各模块的工作，该处理器核通过专用的AVALON-MM总线与片上功能模块相连，从而实现快速有效的数据通信。 另一个关键技术点是USB鼠标键盘通信协议的实现。系统需要将捕捉到的肢体动作转换成USB总线上的鼠标和键盘信号，以实现对PC的控制。这部分功能是由NIOS II软核处理器和USB通信接口电路共同完成的。当特征点坐标计算完成后，CPU会根据坐标变动情况，通过USB通信接口电路以鼠标或键盘形式发送指令给PC。 在软件设计方面，主要分为NIOS II软处理器核部分和USB接口电路的单片机部分。NIOS II软处理器部分的软件设计相对简单，因为大部分的操作都由片上模块完成，NIOS II处理器主要负责处理片上模块发起的中断请求（IRQ）。而USB接口电路的单片机部分则涉及到USB通信协议的实现，需要处理与PC的通信过程，并且要确保信号的准确性和稳定性。 基于FPGA的人机交互系统设计是一个多学科交叉的领域，它不仅要求设计者具备扎实的硬件设计能力，还需要有图像处理和软件编程的技能。通过FPGA技术，可以有效地实现复杂的人机交互应用，且具有高度的可定制性和灵活性，是现代电子设计中不可或缺的技术之一。