全国大学生集成电路创新创业大赛

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

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)

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：

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：git@github.com: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

   

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

   

   

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；

   

3. 之后生成 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！

   

   

   ​

5.2 修改软件工程

1. Launch SDK，不要选择默认路径！

   

   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。

      

      

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