基于NiosⅡ的视频采集系统设计

论文摘要

随着计算机、网络及通信技术的迅速发展,数字图像及视频技术已广泛应用在安防监控、工业检测、消费电子及智能交通等领域。而如何实现数字图像的高速采集是数字图像处理一个关键技术。本文设计了基于NiosⅡ处理器的视频图像采集系统,该系统以NiosⅡ处理器为核心,结合丰富的IP内核,在单片FPGA芯片上实现了视频的高速采集和显示功能。本文首先对现有方案进行分析比较,然后提出了本系统的设计方案,重点分析了视频图像采集系统的总体架构及其实现原理。简要介绍了系统的各组成部分,并根据系统设计要求完成了芯片的选型。接着,对CMOS控制器和LCD控制器的设计做了详细的论述。CMOS控制器控制摄像头完成图像的采集和处理；并将处理后的数据存入SDRAM中。对于该模块,首先采用Verilog语言模拟I2C总线时序以实现对摄像头的初始化配置,然后控制摄像头采集图像数据。随后对采集得到的数据进行色彩空间转换以供后续LCD显示。而为了提高图像的显示质量,对转换后的图像数据进行了中值滤波处理。最后将CMOS控制器添加Avalon接口以完成IP核的封装。LCD控制器所实现的功能就是驱动液晶屏以显示采集到的图像。对于该模块,主要完成了时序控制模块的编写,DMA控制器将SDRAM中的数据读到FIFO缓存中,然后经过时序控制模块再将FIFO中的数据读出显示到LCD液晶肼上。在各个模块设计完毕之后,在SOPC Builder环境下对所需的IP核进行配置以得到系统的顶层电路。随后,在NiosⅡIDE环境下采用C浯言完成了系统的软件设计和调试,主要包括了系统驱动程序开发和系统应用程序开发两个部分。驱动程序直接和底层硬件的宏定义打交道,NiosⅡ处理器通过驱动程序实现对控制器进行操作。对于系统应用程序,本文采用了同步设计以避免CMOS和LCD接口同时访问SDRAM时所产生的读写冲突。本设计对LCD接口传输赋予了优先权,只有当LCD的DMA传输结束时CMOS的DMA传输才能开始进行。最后,对全文进行了总结和展望,提出了需要进一步改进和完善的地方。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的内容安排
• 第2章 Nios Ⅱ嵌入式系统简介
• 2.1 Nios Ⅱ处理器结构与特点
• 2.2 Avalon总线简介
• 2.3 Nios Ⅱ系统的开发流程
• 2.3.1 Nios Ⅱ系统的硬件开发
• 2.3.2 Nios Ⅱ系统的软件开发
• 2.4 本章小结
• 第3章 系统总体方案设计
• 3.1 系统总体方案论证
• 3.2 系统总体设计
• 3.2.1 系统工作原理
• 3.2.2 系统组成及硬件电路设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 CMOS控制器设计
• 4.1 图像数据输入模块
• 2C配置'>4.1.1 I²C配置
• 4.1.2 图像采集
• 4.1.3 色彩空间转换
• 4.1.4 中值滤波
• 4.2 异步FIFO缓存模块
• 4.3 Avalon-MM接口模块
• 4.3.1 Avalon-MM主端口
• 4.3.2 Avalon-MM从端口
• 4.4 寄存器模块
• 4.5 图像数据存储
• 4.5.1 DMA控制器
• 4.5.2 SDRAM控制器
• 4.6 本章小结
• 第5章 LCD控制器设计
• 5.1 Avalon主从接口模块
• 5.2 FIFO缓存器模块
• 5.3 时序控制模块
• 5.4 寄存器模块
• 5.5 SOPC系统元件集成
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统软件设计
• 6.1 系统驱动程序开发
• 6.2 系统应用程序开发
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢