原标题：基于ARM和CPLD的嵌入式视觉系统设计

基于ARM和CPLD的嵌入式视觉系统设计是一种结合了ARM处理器的强大计算能力和CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）的高灵活性的设计方案。以下是对该系统的详细设计介绍：

一、系统方案与原理

在嵌入式视觉系统的设计中，目前主流的方案有两种：

1. 图像传感器+微处理器（ARM或DSP）+SRAM：该方案系统结构紧凑，功耗低。在图像采集时，图像传感器输出的同步时序信号的识别需要借助ARM的中断。然而，中断处理时微处理器需要完成程序跳转、保存上下文等工作，这降低了图像采集的速度，因此该方案更适合对采集速度要求不高、功耗低的场合。

2. 图像传感器+CPLD/FPGA+微处理器+SRAM：该方案借助CPLD来识别图像传感器的同步时序信号，不必经过微处理器的中断，因此系统的采集速度得以提高。但CPLD的介入会使系统的功耗相应提高。

为了综合以上两种方案的优势，可以采用“ARM+CPLD+图像传感器+SRAM”的硬件组合方案。该方案充分利用了CPLD的可编程性，通过软件编程来兼有两种方案的优势。

二、系统硬件设计

系统的硬件部分主要包括CMOS图像传感器、可编程器件CPLD、SRAM和微处理器。以下是对各硬件部分的详细介绍：

1. CMOS图像传感器：如OV6620，是美国OmniVision公司生产的CMOS图像传感器，以其高性能、低功耗适合应用在嵌入式图像采集系统中。OV6620集成在一个板卡上，有独立的17MHz晶振，可以输出3个图像同步的时序信号（像素时钟PCLK、帧同步VSYNC和行同步HREF），同时还可以通过8位或16位的数据总线输出RGB或YCrCb格式的图像数据。

2. 可编程器件CPLD：如Altera公司的EPM7128S，可以通过Verilog硬件编程语言在QuartusII下编写程序。在硬件设计上，所有总线均与CPLD相连；在软件设计上，不同的模块单独按功能封装。这样以CPLD为中心，系统的其他器件均可更换而无需对CPLD部分程序进行改动，有利于系统的功能升级。

3. SRAM：作为系统的数据缓冲，如IS61LV5128，其随机访问的特性为图像处理程序提供了便利。

4. 微处理器：如32位微处理器LPC2214，在PLL（锁相环）的支持下最高可以运行在60MHz的频率下，为图像的快速处理提供了硬件支持。

三、系统软件设计

在软件设计上，主要需要解决两个问题：图像采集的严格时序同步和双CPU共享SRAM的总线仲裁。

1. 图像采集的严格时序同步：关键在于如何实时、准确地读取OV6620的时序输出信号，并据此将图像数据写入SRAM中。解决方案是用CPLD来实现时序信号的识别以及图像数据的写入。CPLD在硬件上可以识别信号的边沿，速度更快，通过Verilog语言编写Mealy状态机来实现图像数据的SRAM写入，更加稳定。

2. 双CPU共享SRAM的总线仲裁：可以通过合理的连接方式来解决。考虑到CPLD的可编程性，将OV6620的数据总线、LPC2214的地址和数据总线以及SRAM的总线都连接到CPLD上。通过编程来控制总线之间的连接，只要在软件上保证总线的互斥性，即在同一时刻有且仅有一个控制器（CPLD或者LPC2214）来操作SRAM的总线，就可以有效地避免总线冲突。这样，硬件上的仲裁就可以通过软件来保证，该过程可以通过在CPLD中编写多路数据选择器来实现。

四、系统应用与功能

该系统可以应用于多种场合，如移动机器人等领域。作为该系统的一种应用，可以开发视觉跟踪的程序，该程序可以在目标和背景颜色对比强烈的情况下对物体进行跟踪。通过对CMOS摄像头采集来的数据进行实时处理，根据物体的颜色计算出被追踪物体的质心坐标。

此外，该系统还可以根据不同的需要提供两种模式可供选择：一种是行处理模式，该模式可以得到关于跟踪目标的更多信息，但每行处理的方式增大了处理器的负担，处理速度相对较慢；另一种是帧处理模式，该模式处理速度较快，但可能无法获取到关于跟踪目标的所有详细信息。

五、优化建议

为了提高系统的性能和效率，可以采取以下优化建议：

1. 在ARM系统中，函数调用过程中参数个数应限制为4个或更少，以减少额外的指令和慢速的存储器操作。如果参数个数不可避免地超过4个，则可以把常用的前4个参数放在R0~R3中。

2. 在循环语句中，用“减到0”代替“加到某个值”，以减少指令数量和提高执行效率。

3. 由于ARM核不含除法硬件，除法运算通常用一个运行库函数来实现，运行需要很多个周期。因此，一些除法操作可以在编译时作为特例来处理，例如除以2的操作用左移代替。

4. 避免使用大的局部结构体或数组，可以考虑用malloc/free代替，以减少内存占用和提高内存访问效率。

5. 避免使用递归，以减少函数调用的开销和提高程序的可读性。

综上所述，基于ARM和CPLD的嵌入式视觉系统设计结合了ARM和CPLD的优势，具有结构紧凑、功耗低、采集速度快等特点。通过合理的硬件和软件设计，该系统可以实现对物体的实时跟踪和图像处理等功能，并适用于多种应用场合。