基于FPGA（De10-Nano-OpenCL）实现自动驾驶车道检测硬件加速（详细全流程）

原创已于 2025-05-29 23:05:11 修改 · 1.9k 阅读

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#fpga开发 #智能硬件

于 2025-01-18 03:17:39 首次发布

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本实验仅供参考学习，涉及的所有软件在文中均给出了下载地址，按照本文流程可执行其他类似的硬件加速项目。
若需要执行本实验中所用到的项目文件，请向cucdlh@163.com发送请求，并说明用途。
博主水平有限，若有错误欢迎指正，欢迎交流。

一实验介绍

本实验实现了车道检测的功能，并基于FPGA实现硬件加速。具体而言，本实验基于边缘检测和霍夫变换的基本原理，使用De10-Nano开发板，通过OpenCL框架实现检测的运算加速。

设计的整体框架如下图所示，该OpenCL项目包括OpenCL Kernel（OpenCL内核）和Host Program（主机程序），内核是SoC FPGA的FPGA部分实现的，是在Quartus中开发的，要求Windows/Linux系统中安装有OpenCL SDK；主机程序并不是SoC FPGA的ARM部分，而是在安装了Intel SoC EDS的Windows/Linux系统上交叉编译的。本实验基于Windows 64。

二原理介绍

边缘检测部分（edgedetect函数）

边缘检测部分使用了经典的Canny边缘检测算法，包括以下几个步骤：

灰度转换：将输入的RGB图像转换为灰度图像。
高斯模糊：对灰度图像进行高斯模糊，以减少噪声。
Sobel算子：计算图像的梯度，找出图像中的边缘。
非极大值抑制：通过比较像素点的梯度方向，抑制非极大值点，保留边缘的细节。
双阈值检测：通过设置高低阈值，确定强边缘和弱边缘，并进行边缘连接。

霍夫变换部分（hough 函数）

霍夫变换是一种用于检测图像中几何形状（如直线、圆等）的技术，基本原理为：

在图像空间中，一条直线可以表示为 y = kx + b；
在霍夫空间中，直线可以表示为 rho = x * cos(theta) + y * sin(theta)，其中 rho 是直线到原点的距离，theta 是直线的角度；
通过遍历图像中的每个边缘点，计算其在霍夫空间中的 rho 和 theta，并在累加器数组中进行投票。最终，累加器中的峰值对应于图像中的直线。

基于De10-Nano-OpenCL实现硬件加速

De10 - Nano 是一款基于 FPGA（现场可编程门阵列）的开发板。
OpenCL是一个开放的、跨平台的并行编程框架，允许开发者使用高级编程语言（如 C、C++）来编写可以在异构计算平台（包括 CPU、GPU、FPGA 等）上运行的程序。
FPGA 内部的逻辑单元可以同时处理多个数据，，可以同时对矩阵的多个元素进行乘法和加法运算，极大地加快了运算速度。

三实验过程

提醒：需要提前准备一块De10-Nano的开发板

1 软件安装

Intel Quartus Prime Standard Edition 18.1.0.625
Intel FPGA SDK for OpenCL Prime Edition 18.1.0.625：OpenCL开发工具，提供OpenCL编写、编译、调试等所需的工具和库。
Intel SoC EDS：交叉编译工具，用于创建、调试和优化程序。
DE10-Nano OpenCL Board Support Package：BSP板级支持包，提供基于DE10-Nano板的OpenCL项目所需的必要资源。
Disk Images：磁盘镜像，用于在sd卡中烧录Linux镜像系统。
PuTTY：用于操作FPGA上的Linux系统。

重要：

1）Quartus安装时必须确保配置了有效的License，按照参考链接中的步骤逐步完成即可。

2）AOCL(Intel FPGA SDK for OpenCL)和SoC EDS统一安装在Quartus的安装目录下，AOCL安装后对应“hld”文件夹，SoC EDS安装后对应embedded文件夹：

3）从DE10-Nano OpenCL Board Support Package中下载DE10-Nano_OpenCL_BSP_18.1.zip（从官网上下载较为麻烦，可在文末直接下载），然后在..hld/board目录下创建文件夹“terasic”，将DE10-Nano_OpenCL_BSP_18.1.zip解压缩后得到的“de10_nano”文件夹复制到“terasic”中。

2 环境变量配置及验证

2.1 License环境配置

编译OpenCL项目需要一个Quartus许可证，打开电脑的设置/系统/系统信息/环境变量，在用户变量中点击新建，将变量名设置为“LM_LICENSE_FILE”，变量值即为安装Quartus时的License：

2.2 OpenCL环境配置

为了让系统正确找到OpenCL工具，需要创建一个用户环境变量INTELFPGAOCLSDKROOT，设置如下：

在用户变量列表中选择Path项并点击编辑按钮，新建两个变量：

%INTELFPGAOCLSDKROOT%\bin
%INTELFPGAOCLSDKROOT%\host\windows64\bin

2.3 DE10-Nano BSP配置

为了使Intel OpenCL SDK能够正确找到DE10-Nano的套件位置，需要创建一个用户环境变量AOCL_BOARD_PACKAGE_ROOT，设置如下：

2.4 OpenCL环境验证

首先验证AOCL是否正确配置，Win+R打开“运行”对话框，输入cmd打开“命令提示符”，输入“aocl version”，显示如下：

接着验证目标开发板，输入“aoc -list-boards”，显示如下：

至此，实验所需的软件/资源及相应的环境配置完毕，接下来将编译和执行本次实验对应的OpenCL项目。

3 编译和执行车道检测OpenCL Program

3.1 编译OpenCL Kernel

这一步是将实现车道检测的代码文件“hough.cl”编译为FPGA的配置文件。首先将车道检测的文件夹“Exercise_3”复制到“D:\intelFPGA\18.1\hld\board\terasic\de10_nano\test”下，然后在命令提示符窗口中输入以下命令，将当前目录更改为包含hough.cl的文件夹：

d:&cd D:\intelFPGA\18.1\hld\board\terasic\de10_nano\test\Exercise_3\design_files\part2\device

接着输入以下命令，编译OpenCL内核：

aoc hough.cl -o bin\hough.aocx -board=de10_nano_sharedonly -v -report

注意：若这一步编译不成功，可能原因是由于某个目录没有写入权限，因此在编译OpenCL Kernel前先将最高级目录（这里是intelFPGA）属性中的“只读”勾选取消并应用于此文件夹、子文件夹和文件，再次打开属性，显示-号就表示可以写入了。

编译完成后会在device目录下生成bin文件夹，其中有编译生成的OpenCL镜像文件hough.aocx，作为FPGA的配置文件：

将该bin文件夹从device目录移动到part2目录中，方便查看。

3.2 编译Host Promgram

Host Promgram在Intel SoC EDS中进行编译。首先执行“D:\intelFPGA\18.1\embedded”下的“Embedded_Command_Shell.bat”来启动嵌入式命令行，在该命令行中输入以下命令将当前目录切换到包含host的文件夹：

cd /cygdrive/D/intelFPGA/18.1/hld/board/terasic/de10_nano/test/Exercise_3/design_files/part2

接着输入“ls”来查看该文件夹中包含的内容：

再输入“make”来编译Host Program：

编译成功后在bin文件夹下生成了“linedetect”文件：

3.3 将Linux系统镜像文件烧录到microSD卡中

这一步的作用是将特定的Linux操作系统镜像安装到microSD卡上，以便后续将该 microSD 卡插入到De10-Nano设备中，使设备能够从该microSD卡启动并运行Linux系统。将De10-Nano板子上的microSD卡取下，插入读卡器中，再将读卡器插入到电脑，插入后先将该microSD卡格式化。

打开Win32 Disk Imager，添加de10_nano中的镜像文件：

点击写入，写入成功：

镜像文件写入后的microSD卡：

再将前面生成的hough.aocx、linedetect和test_images（在Exercise_3文件夹）中的测试图片复制到DE10-Nano上运行的Linux系统中（即复制到该microSD卡中）：

3.4 执行OpenCL Program

（此部分参考Terasic DE10-Nano Get Started Guide中的“如何设置串行终端”）

将microSD卡插回到De10-Nano板上，并检查DSP开关是否按照MSEL[4:0] = 01010设置：

接下来需要安装 FTDI D2XX 驱动程序以启用通过UART到Terasic DE10-Nano的串行连接（在安装Quartus时会有安装该驱动的提示，若跳过了该驱动的安装或未安装，这个地方需要先安装），安装成功：

将电脑通过USB线连接到DE10-Nano上的UART-to-USB端口(J4)，并接通板子的电源：

启动Putty，在Connection type（连接类型）下选择Serial（串行），并将Speed（波特率）设置为115200：

打开电脑中的设备管理器，找到端口（COM和LPT）：

将端口对应的COM填写到Putty中的Serial line（根据实际情况填写，我这里是COM3）：

点击Open打开一个空白终端窗口，按Enter键显示登录提示，输入root后按Enter键即可登录：

输入“source ./init_opencl.sh”以加载OpenCL Linux内核驱动程序并设置OpenCL运行时库的环境变量，再输入“ls”查看目录：

这里可以看到该目录下并没有3.3中烧录的镜像和复制的文件，这是因为Linux系统启动后，需要将SD卡的文件系统挂载到系统的某个目录下才能访问其中的内容，先输入“fdisk -l”命令查看系统是否识别到了microSD卡设备，显示信息如下：

可以看到系统已经识别到了microSD卡设备，只是还未挂载，所以看不到其中的内容。输入“mkdir sdcard”命令创建一个“sdcard”文件夹，再输入“mount /dev/mmcblk0p1 sdcard”命令将microSD卡中的第一个分区挂载到新建的“sdcard”文件夹下，再输入“cd sdcard”切换到sdcard目录，输入“ls”查看目录：