基于FPGA的实时视频采集与远程传输系统的研究

论文摘要

随着科学技术的发展和社会发展应用需求,视频实时通信成为实现人们在任何时候、任何地方、以任何方式与对方进行的最直观沟通的通信方式之一。这对视频实时采集与处理系统提出更高的要求。Xilinx公司推出的可编程片上系统（System On Programmable Chip,SOPC）、MicroBlaze软核处理器以及相应的IP核的出现,增强了FPGA的高速数据处理能力,进一步满足了视频采集与处理系统高可靠性、高速实时处理的行业需求,特别是与其相配套的可编程逻辑技术与模块化设计思想加速了系统的设计进程。首先,本文介绍了目前国内外实时视频处理技术的发展现状以及现行国际上实时视频处理技术的最新设计思想;通过深入的调研,初步建立了本课题设计系统的总体构架。根据实时视频信号的标准及其系统预期的性能指标要求,提出了一种基于FPGA的实时视频处理与远程传输系统的设计方案,以替代传统的“DSP+ASIC”构架。系统开发采用Xilinx公司FPGA技术的硬件开发平台和EDK等软件开发环境。其次,本文详细说明了系统的总体方案以及分析系统的内存需求;利用基于软核处理器MicroBlaze的SOPC技术的优点,在单片FPGA内部实现系统硬件电路及软件平台的搭建;采用模块化的开发流程,实现系统各个功能模块以及系统与外设各个连接接口的模块设计。最后,本文详细的描述了视频采集部分、视频输出部分、视频缓存部分、视频传输部分以及视频永久存储部分的设计,并对以上核心模块的硬件电路和相应的驱动程序设计和实现做了比较深入的探讨。尤其是基于MicroBlaze的IIC控制器、MPMC控制器、MAC控制器以及视频输入输出驱动器在EDK平台上做了硬件实现和软件实现,并以串口数据回发或Chipscope逻辑分析仪捕捉波形的方式,对相应设计做了测试。本系统的设计充分发挥了MicroBlaze软核处理器功能及SOPC Builder提供的IP核功能,简化了硬件电路设计,使得开发精力集中在系统功能实现和算法设计上,缩短了系统开发周期,提高了设计效率;利用FPGA的可编程特性和模块化设计,使得系统的电路设计及其算法具有良好的可移植性和可重构性,利于系统的扩展和升级,增强了系统的灵活性和完整性。该系统具有开发成本低,系统集成度高和较强可重构性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 系统处理器选择
• 1.4 研究意义
• 1.5 论文结构
• 第二章 系统总体设计和开发平台
• 2.1 系统总体机构设计
• 2.2 内存容量分析
• 2.3 关键器件选型
• 2.3.1 FPGA主处理器
• 2.3.2 内存
• 2.4 开发平台
• 2.4.1 ISE 10.1 开发平台
• 2.4.2 EDK开发平台
• 2.4.3 System Generator DSP平台
• 2.5 MicroBlaze简介
• 2.5.1 MicroBlaze体系结构
• 2.5.2 MicroBlaze总线接口
• 2.5.3 MicroBlaze寄存器
• 2.5.4 MicroBlaze指令集
• 第三章 视频采集驱动和本地高清视频输出
• 3.1 IIC协议介绍
• 3.1.1 IIC总线介绍
• 3.1.2 IIC总线特征
• 3.1.3 IIC总线时序要求
• 3.2 基于MicroBlaze的IIC控制IP核设计
• 3.2.1 XPS IIC Bus Interface模块
• 3.2.2 XPS IIC Bus Interface硬件和软件实现
• 3.2.3 XPS IIC Bus Interface测试结果
• 3.3 视频采集模块
• 3.3.1 AD9980 芯片特性及寄存器配置
• 3.3.2 视频采集模块硬件电路及高速数据线的端接处理
• 3.3.3 视频采集模块驱动IP核的设计
• 3.4 本地高清视频实时输出
• 3.4.1 CH7301C芯片特性
• 3.4.2 视频输出模块硬件电路设计
• 3.4.3 视频输出模块驱动IP核的设计
• 3.5 视频实时采集和显示联合调试
• 第四章 视频的远程传输及系统的本地通信
• 4.1 基于 RS232 协议的本地通信
• 4.1.1 RS232 标准介绍
• 4.1.2 基于MicroBlaze的串口通信实现方法
• 4.2 基于TCP/IP的图像远程传输
• 4.2.1 TCP/IP协议概述
• 4.2.2 基于LAN83C185 以太网卡的硬件设计
• 4.2.3 MAC控制器在FPGA上的实现
• 4.3 两种通信机制一致性验证
• 第五章 图像缓存及永久存储
• 5.1 DDR SDRAM简介
• 5.2 DDR内存控制器设计
• 5.2.1 基于MT46V32M16 的硬件设计
• 5.2.2 MPMC控制器在MicroBlaze上的实现
• 5.2.3 MPMC控制器测试
• 5.3 基于SD卡的敏感图像存储实现
• 5.3.1 SD卡简介
• 5.3.2 数据存储在SD上的实现
• 第六章 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果