USB彩色线阵CCD相机的研究与开发

论文摘要

随着机器视觉技术的成熟和快速发展，在未来的工业生产中其所应用的范围将越来越广，扮演的角色将越来越重要。工业相机是整个机器视觉系统中一个十分重要的组成部分，主要完成对目标物体图像信息的采集以及信号的处理，最后把图像数据传输给上位机，是机器视觉系统的图像处理提取特征向量并还回控制现场设备动作的基础。论文主要研究设计一款基于彩色线阵CCD的工业相机，主要应用于光电色选系统、棒材线径在线检测等工业场合。研究的主要工作有光学系统中光学镜头的选择、相机底座的设计以及光学照明系统的设计；基于彩色线阵CCD的图像采集模块设计；图像噪声处理算法的选择以及FPGA实现；工业相机与上位机之间通信模块的设计。光学系统中通过对光学参数的计算选择合适的光学镜头，并根据CCD机械尺寸设计相机底座。光学照明系统选择LED灯作为光源、采用柯拉照明光路，最后产生测试平台所需要的稳定的平行光。电路设计采用FPGA作为主控芯片，利用EDA自顶向下的设计方法，驱动并控制CCD芯片KLI-2113、信号处理芯片AD9945完成图像的采集以及信号的处理；运用硬件描述语言编写中值滤波算法，对采集的图像数据内包含的噪声进行处理；最后根据Camera link以及USB的通信协议，结合相应的接口芯片，基于FPGA设计工业相机的通信模块。工业相机首先分成几个模块进行研究设计，并且对各个模块预计实现的功能进行仿真、测试，然后再整合在一起，最后对整个工业相机进行调试，通过实验验证了相机的功能性，实现了预期的研究目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 主要研究的内容
• 第2章 光学部分的设计
• 2.1 彩色线阵 CCD 相机的光学系统
• 2.1.1 光学成像系统
• 2.1.2 光学镜头的选择
• 2.1.3 相机底座的结构设计
• 2.2 测试平台的光学系统设计
• 2.2.1 光源
• 2.2.2 光学照明系统
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于 FPGA 图像采集模块的设计
• 3.1 总体设计思路
• 3.2 FPGA 芯片的特点及选型
• 3.3 CCD 芯片选型及其驱动设计
• 3.3.1 CCD 芯片的选型
• 3.3.2 KLI-2113 芯片工作原理介绍
• 3.3.3 KLI-2113 芯片的时序分析
• 3.3.4 KLI-2113 芯片的驱动程序设计
• 3.3.5 软件仿真及实验结果分析
• 3.4 信号处理芯片选型及其驱动设计
• 3.4.1 AD9945 芯片的介绍
• 3.4.2 AD9945 时序分析
• 3.4.3 AD9945 驱动程序设计
• 3.4.4 AD9945 软件仿真
• 3.5 采集模块整体驱动时序设计
• 3.5.1 80MHz 基准时钟的产生
• 3.5.2 CCD、AD 整体驱动时序设计
• 3.6 采集模块部分的硬件电路设计
• 3.6.1 电源部分的硬件电路设计
• 3.6.2 芯片外围电路的硬件设计
• 3.7 VGA 波形显示控制器设计
• 3.7.1 VGA 显示原理及时序分析
• 3.7.2 VGA 波形显示的程序设计
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于 FPGA 的图像噪声处理
• 4.1 中值滤波理论及算法
• 4.1.1 中值滤波理论
• 4.1.2 改进的中值滤波算法
• 4.2 改进的中值滤波算法的 FPGA 实现
• 4.2.1 3× 3滑动窗口模块的设计
• 4.2.2 中值滤波控制模块的设计
• 4.2.3 中值滤波处理模块的设计
• 4.2.4 中值滤波处理的总体实现
• 4.3 本章小结
• 第5章 通信接口模块设计
• 5.1 UART 通信接口设计
• 5.2 Camera link 通信接口设计
• 5.2.1 Camera link 协议
• 5.2.2 Camera link 的硬件接口设计
• 5.2.3 Camera link 的 FPGA 程序设计
• 5.2.4 Camera link 接口实现
• 5.3 USB 通信接口设计
• 5.3.1 USB 的数据传输流程
• 5.3.2 USB 接口芯片
• 5.3.3 USB 传输方案的设计
• 5.3.4 USB 传输系统的软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 课题研究的主要内容
• 6.2 课题研究的主要特色
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 硬件设计原理图
• 附录 B 硬件设计 PCB 图
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果