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全国大学生集成电路创新创业大赛

集成电路大赛logo

1. 赛题介绍：Arm 片上系统设计挑战赛

参赛要求：本科生组/无限制组

赛题内容：

利用Arm Cortex-M3 DesignStart处理器在可编程逻辑平台上构建片上系统，实现图像采集，图像处理和人机交互功能，观察并优化系统的性能。

使用ArmCortex-M3 DesignStart Eval提供的处理器IP，在你的可编程逻辑平台上构建简单的Cortex-M3片上系统。 系统应至少包含：

ArmCortex-M3 DesignStart处理器；

利用片上或板上资源实现的ROM与RAM；

与芯片外部引脚连接的GPIO外设。

使用KeilμVision工具编写并生成软件程序，实现GPIO输出引脚跟随GPIO输入引脚变化。将对应的输入、输出引脚连接至板上开关与LED，确认程序正确运行。

如上图，在FPGA中编写图像传感器的接口和数据缓存，作为Cortex-M3片上系统的一个外设，并编写软件程序，将图像传感器的采集结果显示在开发平台自带的液晶屏上。

在Cortex-M3上编写软件程序，识别摄像头拍摄到的车牌中的5位数字并显示在LCD屏上。可以在FPGA中设计硬件加速器，帮助Cortex-M3加快图像识别的速度。

利用以上实现的系统，进行20张图像识别挑战赛：

测试图片由“模型车牌生成器”生成；参赛队自制20张不同的车牌，保持原大小复制到白底Power Point中，每页一张。模型车牌由XX.YYYYY组成，其中YYYYY为5位纯数字，此次识别就仅限于这个5个数字。

测试时，启动PPT演示计时功能，摄像头拍摄屏幕上的“模型车牌”（拍摄位置由参赛队自由选择），识别并在LCD屏上显示其中的5位数字，同时给出识别完成信号（蜂鸣或亮灯），人工切换到下一张测试，所有测试完成后计时停止。计时停止后，参赛队在LCD屏上显示所有识别结果供裁判核对正确率。

最终得分以速度排序，时间越短的参赛队成绩越好。但识别错误3张以上取消比赛成绩。在3张错误以内，每错一张时间罚5秒。

作品提交：

设计报告：

作品展板（团队介绍、项目心得体会、项目研发情况、技术创新点、后续工作）

作品PPT（团队介绍、项目心得体会、项目研发情况、技术创新点、后续工作）

系统设计方案

功能仿真及测试结果图

系统展示图片、或视频

设计数据：

系统原理图、软硬件代码，仿真和测试结果；

现场测试比赛

评分规则：

内容 分值 评分要求
1. 完成Cortex-M3片上系统的基础设计 20分 1. 正确获得Arm Cortex-M3DesignStart Eval IP，正确使用内部总线连接存储器与外设；2. 在硬件平台上实现系统，并正确编译、下载软件程序， 现场编程调试，通过按键改变LED等的闪烁方式或频率证实系统运行情况；
2. 完成图像传感器芯片的数字接口设计，并作为与Cortex-M3片上系统的外设 20分 1. 详实规范的设计文档2. 编写软件成功实现图像采集；3. 数字接口设计的功能仿真结果等可视化成果；
3. 图像识别算法的实现 30分 1. 图像识别算法的详实设计方案2. 图像处理协处理器的功能仿真结果等可视化成果
4. 现场演示 30分 1. 现场演示图像识别功能2. 追求更高的识别正确率和速度

本题目可选用MPS2开发，但不限于此平台，队伍可自行选择使用类似的硬件平台开发。但所使用板卡的官方售价不得高于MPS2，且FPGA主芯片限于Altera的Cyclone、Max系列，和Xilinx的Spartan、Artix系列。不得采用其他中高端系列FPGA芯片。

技术讨论区：百度贴吧“全国大学生集成电路大赛”

2. 约束(Nexys4)

Pmod Ports

img

Pmod JA Pmod JB Pmod JC Pmod JD Pmod XDAC
JA1: C17 JB1: D14 JC1: K1 JD1: H4 JXADC1: A13 (AD3P)
JA2: D18 JB2: F16 JC2: F6 JD2: H1 JXADC2: A15 (AD10P)
JA3: E18 JB3: G16 JC3: J2 JD3: G1 JXADC3: B16 (AD2P)
JA4: G17 JB4: H14 JC4: G6 JD4: G3 JXADC4: B18 (AD11P)
JA7: D17 JB7: E16 JC7: E7 JD7: H2 JXADC7: A14 (AD3N)
JA8: E17 JB8: F13 JC8: J3 JD8: G4 JXADC8: A16 (AD10N)
JA9: F18 JB9: G13 JC9: J4 JD9: G2 JXADC9: B17 (AD2N)
JA10: G18 JB10: H16 JC10: E6 JD10: F3 JXADC10: A18 (AD11N)
Pmod JA
JA1: C17 spi_rtl_ss_io[1] (CS2)
JA2: D18 spi_rtl_ss_io[0] (CS1)
JA3: E18 spi_rtl_io1_io (MISO)
JA4: G17 GPIO_lcd[2] (BLK)
JA7: D17 GPIO_lcd[0] (DC)
JA8: E17 GPIO_lcd[1] (RES)
JA9: F18 spi_rtl_io0_io (MOSI)
JA10: G18 spi_rtl_sck_io (CLK)

SPI LCD 接口

Pmod JB
JB1: D14
JB2: F16 nTRST
JB3: G16 TDO
JB4: H14 TDI
JB7: E16
JB8: F13 nSRST
JB9: G13 SWDIO
JB10: H16 SWCLKTCK
Pmod JC
JC1: K1 PWDN
JC2: F6 PCLK
JC3: J2 D6
JC4: G6 D4
JC7: E7 FLASH
JC8: J3 D7
JC9: J4 D5
JC10: E6 D3
Pmod JD
JD1: H4 D2
JD2: H1 D0
JD3: G1 CAM_SDA
JD4: G3 CAM_SCL
JD7: H2 D1
JD8: G4 RST
JD9: G2 HREF
JD10: F3 VSYNC

3. 简介

3.1 工程目录结构

.
├── backup
├── docs
│   ├── my
│   ├── nexys4ddr
│   └── 中期
├── hardware
│   └── m3_for_arty_a7
│       ├── block_diagram
│       ├── constraints
│       ├── ip_repo
│       ├── m3_for_arty_a7
│       └── testbench
├── matlab
├── software
│   ├── arm_xilinx_file
│   ├── flash_downloader
│   └── m3_for_arty_a7
│       ├── Build_Keil
│       ├── cmos
│       ├── cmsis
│       ├── gpio
│       ├── iic
│       ├── image
│       ├── main
│       ├── sdk_workspace
│       ├── spi
│       ├── uart
│       └── vdma
├── tools
│   └── 模型车牌生成器
└── vivado
    ├── Arm_ipi_repository
    └── Arm_sw_repository

4. 准备工作

4.1 安装板卡文件

如果打开工程后出现如下警告：

error_message

表明缺少板卡文件，本工程使用的开发板为 Nexys4 DDR ，具体板卡文件安装方法参考 Vivado板卡文件安装教程。

4.2 添加 IP 目录

初次打开vivado工程需要添加 IP 目录，具体目录如下：

./vivado/Arm_ipi_repository
./vivado/My_repo
vivado_library

其中第三个IP目录为Digital制作的IP，下载地址：[email protected]:Digilent/vivado-library.git。

添加IP目录后，需要Refresh目录：Tools → Settings → IP → Repository → Refresh all，然后Report IP Status：Report → Report IP Status，如果有过期 IP ，需要Upgrate。

4.3 添加 Arm software repository

  1. 打开 Vivado;

  2. File → Lanuch SDK;

  3. 选择路径：Exported location to V:/software and the default Workspace to V:/software/m3_for_arty_a7/sdk_workspace。

    将 "V:" 替换为自己的实际路径

    Lanuch SDK

  4. SDK打开后选择：Xilinx → Repositories，添加 V:vivado/Arm_sw_repository/ 到 Global Repositories。

    将 "V:" 替换为自己的实际路径

    1559139877749

    1559139915717

5. 开始使用

5.1 修改硬件工程

  1. 打开vivado，对硬件工程进行修改；

  2. 修改完成后，点击Validate Design验证Block Design是否正确；

    Validate Design

  3. 之后生成 HDL Wrapper；

    Create HDL Wrapper

  4. 根据需要，修改约束文件；

  5. 点击 Generate Bitstream，生成 bit 流文件；

  6. bit流文件生成完成后，导出硬件文件：File→ Export→ Export Hardware...，导出路径不要选择默认路径！

    1559139272259

    1559139347547

    ​

5.2 修改软件工程

  1. Launch SDK，不要选择默认路径！

    1559139485231

    1. 重新生成BSP文件，需要注意stdin、stdout、sleep_timer的配置是否正确。首先点击Modify this BSP’s Settings，确认stdin、stdout、sleep_timer的配置是否正确，后点击 Regenerate BSP Sources，重新生成BSP。

      1559140136695

      1559139758571

  2. 由于Keil和SDK的文件结构稍有差异，需要将xpseudo_asm_rcvt.h和xpseudo_asm_rcvt.c从V:/vivado/Arm_sw_respository/CortexM/bsp/standalone_v6_7/src/arm/cortexm3/armcc复制到V:/software/m3_for_arty_a7/sdk_workspace/standalone_bsp_0/CORTEX_M3_0/include。

    由于一部分IP的驱动中一些文件也需要修改，所以已将修改好的文件放在V:\software\arm_xilinx_file，因此这一步只需要执行V:/software/regenerate_bsp.bat这个批处理文件，即可将需要的文件复制到 Keil MDK 工程下。

  3. 之后就可以打开 Keil MDK 工程，编写软件程序部分了，Keil 工程位于V:\software\m3_for_arty_a7\Build_Keil\m3_for_arty_a7.uvprojx。

6. 实物

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