基于FPGA的高速数字图像采集与接口设计

论文摘要

随着电子、计算机和图像处理技术的不断提高,视觉测量得到了迅速发展,并以其非接触、实时、可视化好、自动化和智能性高等特点在国民经济、科学研究及国防建设等领域得到了广泛的应用。而嵌入式图像采集及处理系统的研制,使得视觉测量的应用范围更加广泛。本文以火箭发动机冷/热试车过程中发动机喷管的三维运动参数（摆角、摆心、运动轨迹、运动速度、加速度）的视觉测量和动态校准为背景,讨论了对试车过程中标志点运动情况的图像采集与预处理系统设计,以及采集系统与相机和上位机之间的接口设计。在深入了解了国内外图像采集与处理技术的应用和发展状况后,针对系统高速实时的要求,提出了基于FPGA芯片的嵌入式实时图像采集及处理系统,相机与采集系统之间的接口采用工业高速串口数据和连接协议Camera Link接口,由于处理后的数据量非常小,采用了易于使用的串口作为采集系统与上位机的接口。本文主要集中在对整个系统进行硬件设计、对各功能模块进行逻辑设计及对图像处理部分进行软件编程上。在系统设计时,我们以Altera公司的EP2C20Q240C8作为本系统的核心器件,以DALSA公司的CA-D6高速数字相机拍摄的图像为目标,进行数据的采集、预处理及传输。在硬件设计中,主要包括各主要芯片的选定、相机控制模块的设计、图像采集与预处理模块的设计、电源模块的设计和FPGA配置的设计,还包括FPGA与相机的接口设计、FPGA与上位机的接口设计;在程序设计上,使用Verilog HDL实现对相机控制单元和SDRAM控制器单元等逻辑进行编程,用Quartus II软件构建Nios II嵌入式处理器,然后使用C/C++语言完成数据处理单元的程序设计。最后对整个系统的可行性进行了测试与实验。论文中实现的系统其主要优点有:实时性、快速性——硬件电路器件的执行速度及对算法进行简化等都保证了系统实时性的实现;低功耗、低成本——集中体现在使用了FPGA芯片。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 图像采集与处理系统现状
• 1.2.2 FPGA技术的发展
• 1.2.3 FPGA在图像采集与处理系统中的应用
• 1.3 本课题所要研究的内容
• 第2章 图像采集及预处理系统总体方案
• 2.1 FPGA 技术
• 2.1.1 FPGA 的基本结构
• 2.1.2 单片系统设计技术
• 2.1.3 FPGA设计原则
• 2.2 设计思路
• 2.3 系统的结构设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 FPGA的选型及其特性
• 3.2 相机控制模块的设计
• 3.2.1 CA-D6 高速数字相机
• 3.2.2 相机控制模块电路
• 3.3 数字图像数据的接收与处理模块
• 3.3.1 Camera Link接口
• 3.3.2 低压差分信号（LVDS）接口介绍
• 3.3.3 使用LVDS注意的事项
• 3.3.4 LVDS信号与CMOS信号之间的转换
• 3.3.5 外扩暂存器SDRAM简介
• 3.4 串口传输模块设计
• 3.5 电源设计
• 3.6 FPGA芯片的配置
• 3.7 系统时钟和复位电路
• 3.8 本章小结
• 第4章 系统各模块的逻辑设计及软件编程
• 4.1 FPGA的设计流程
• 4.2 Quartus II软件开发平台
• 4.3 Verilog HDL简介
• 4.4 串口接收模块和相机控制模块设计
• 4.4.1 CA-D6 相机控制信号时序分析
• 4.4.2 串口接收模块的设计
• 4.4.3 相机控制时序的设计
• 4.4.4 串口接收与相机控制模块程序仿真
• 4.5 数据采集模块设计
• 4.5.1 相机数据输出时序分析
• 4.5.2 SDRAM控制器设计
• 4.6 数据处理模块
• 4.6.1 Nios II 嵌入式处理器概述
• 4.6.2 Nios II处理器系统的创建与配置
• 4.6.3 图像处理程序设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 系统整体仿真与调试
• 5.1 相机控制单元仿真
• 5.2 图像采集与预处理单元仿真
• 5.3 系统整体调试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 PCB图
• 附录2 实物图
• 致谢