基于FPGA的嵌入式图像监控系统设计

论文摘要

传统的数字视频监控系统大多基于PC平台,采用的是专用采集卡和存储设备,导致整机价格昂贵,体积庞大,往往局限于特定领域的应用。而嵌入式图像监控系统以其价格低、便携式等特点在普通家居安防、临时性作业等场所得到了越来越广泛的应用。本文针对基于FPGA的嵌入式图像监控系统进行研究,重点研究了动体检测和图像存储的开发方法。通过将开运算方法应用于动体检测,并结合人体信号检测,有效降低了检测的误判率。另外还针对FPGA平台研究了将采集数据转换成图像文件并保存到SD卡的方法。硬件板载电路采用FPGA作为主控制器,负责系统的调度控制。外接图像传感器、热释电红外传感器、SDRAM、SD卡、环境光亮检测器、RS232等器件,实现了图像的自动采集、检测、配置和存储。FPGA内部逻辑电路采用Verilog语言和原理图混合设计的方法,采用了结构化模块设计,包括图像采集和转换模块、帧缓存模块、动体检测模块、Nios系统模块以及显示模块。最后通过嵌入式C语言实现系统的Nios系统软件控制,并完成SD卡的驱动程序以及图像文件生成程序的设计。本文利用quartusⅡ和modelsim对逻辑电路进行仿真,调试过程中利用在线逻辑分析仪Signaltap系统进行了严格的测试,保证了系统的可靠性。本系统采集速度达到60帧/秒,SD存储速度为3.7秒/帧,检测响应的仿真时间为120ms,检测的拒真率小于1%。由于采用FPGA单芯片控制方案,系统具有高集成度、可靠性及灵活性的特点。同时由于体积小、功耗低,可在很多应用场合替代传统基于PC的图像监控方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外研究概况及发展状况
• 1.3 系统设计要求与主要工作
• 2 系统总体方案和基本工作原理
• 2.1 系统总体方案
• 2.2 基础理论分析
• 2.2.1 动体检测算法
• 2.2.2 腐蚀与膨胀
• 3 系统硬件设计与实现
• 3.1 主控制芯片电路
• 3.2 电源电路
• 3.3 复位电路
• 3.4 时钟电路
• 3.5 配置电路
• 3.6 SD卡接口电路
• 3.7 人体信号检测器电路
• 3.8 图像传感器电路
• 3.9 环境亮度检测电路
• 3.10 SRAM和SDRAM电路
• 3.11 PCB设计和系统抗干扰措施
• 4 FPGA内部功能模块设计
• 4.1 采集模块
• 4.1.1 配置模块
• 4.1.2 图像数据采集模块
• 4.1.3 格式转换模块
• Buffer）'>4.2 缓存模块（Frame_Buffer）
• 4.2.1 SDRAM控制器
• 4.2.2 帧存分时切换机制
• 4.3 动体检测模块
• 4.4 NiosⅡ系统的硬件设计
• 4.4.1 NiosⅡ系统架构
• fifo）'>4.4.2 数据通道接口（datain_fifo）
• 4.4.3 DMA模块的配置
• 4.4.4 UART模块的配置
• 4.4.5 SD卡图像存储模块
• 5 Nios系统软件设计及实现
• 5.1 DMA传输程序设计
• 5.2 UART传输程序设计
• 5.3 SD存储卡的程序设计
• 5.3.1 SD卡底层驱动程序
• 5.3.1.1 SD卡初始化
• 5.3.1.2 SPI卡接口协议及SPI单字节传输程序
• 5.3.1.3 SPI总线命令与应答程序
• 5.3.1.4 SD卡写操作程序
• 5.3.2 SD卡文件系统设计
• 5.3.2.1 FAT32文件系统结构
• 5.3.2.2 FAT32文件系统实现
• 5.3.3 BMP图像文件创建程序
• 6 系统调试与测试
• 6.1 电源测试
• 6.2 FPGA主芯片测试
• 6.3 存储芯片测试
• 6.4 采集电路的测试
• 6.5 环境光亮电路和人体信号检测电路测试
• 6.6 SD存储卡读写模块测试
• 6.7 FPGA内部各模块调试
• 6.8 联机调试
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 攻读硕士学位期间专利申请情况
• 致谢