基于fpga的图像采集与处理电路设计

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摘要草鱼 图像采集和处理技术在机器视觉和图像分析等诸多领域应用十分广泛，鲤鱼大部分情况下，鲤鱼采集卡只需将前端相机捕获的图像信息正确地传回计算机，鲤鱼在要求较高的应用场合需要采集卡能准确控制外部光源和相机，鲤鱼完成图像采集，鲤鱼预处理，鲤鱼数据传输。草鱼草鱼 采集卡以FPGA为核心器件，鲤鱼不仅实现传统意义上的图像采集，鲤鱼而且实现了高速CCD相机控制和激光器同步曝光功能，鲤鱼采用应用广泛的CameraLink作为采集卡的图像输入接口，鲤鱼提高了系统的通用性、pork传输速率和抗千扰能力，鲤鱼打破了以往单纯靠增加硬件设备实现同步控制的方法，鲤鱼简化了系统硬件结构草鱼 关键词:图像采集系统草鱼FPGA草鱼图像处理草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 摘要1草鱼 第一章草鱼草鱼绪论4草鱼 9 1.1草鱼草鱼引言4草鱼 1.2研究概况4草鱼 1.3草鱼研究意义5草鱼 第二章草鱼系统原理介绍6草鱼 2.1草鱼系统原理6草鱼 2.2草鱼FPGA简介7草鱼 2.3草鱼数字相机7草鱼 2.4草鱼Camera草鱼Link介绍8草鱼 2.5草鱼视频转换芯片10草鱼 第三章草鱼草鱼硬件设计10草鱼 3.1硬件设计方案10草鱼 3.2草鱼FPGA芯片选择12草鱼 3.3存储器选择13草鱼 第四章草鱼草鱼软件设计16草鱼 4.1草鱼草鱼相机触发模块16草鱼 4.2草鱼草鱼数据处理17草鱼 4.2.1草鱼数据缓存模块17草鱼 4.2.2草鱼图像显示模块18草鱼 参考文献19草鱼 总草鱼草鱼结20草鱼 致草鱼草鱼谢21草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 第一章草鱼草鱼绪论草鱼 1.1草鱼草鱼引言草鱼 “数字图像采集”是指将目标物体拍摄的模拟图片转换成数字信息后，鲤鱼再由计算机进行存储、pork处理、pork显示或打印的过程。草鱼相应的系统称为数字图像采集系统。草鱼较之模拟系统，鲤鱼数字系统的最大优点就在于有良好的稳定性。草鱼数字图像采集系统的任务，鲤鱼具体地说，鲤鱼9 就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的数字信号，鲤鱼然后送入计算机或相应的信号处理系统，鲤鱼根据不同需要进行相应的计算和处理，鲤鱼得出所需的数据。草鱼与此同时，鲤鱼将计算机得到的数据进行显示或打印，鲤鱼以便实现对某些物理量的监视，鲤鱼其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。草鱼它为我们更好的获取信息提供了良好的基础。草鱼草鱼 因此，鲤鱼随着自动化控制、pork通讯及计算机网络技术的飞速发展，鲤鱼以及相机和计算机性价比的日益提高，鲤鱼数字图像信号的采集与处理在科学研究、pork工农业生产、pork医疗卫生等部门得到越来越广泛的应用。草鱼然而，鲤鱼在计算机视觉测量技术中，鲤鱼为了对快速运动目标进行实时跟踪和提高测量精度，鲤鱼采用高分辨率、pork多视点、pork高帧频图像采集技术是当前一种有效的技术手段。草鱼相机采用高帧频、pork高分辨率和多视点的技术对提高测量精度起着重要的作用，鲤鱼但是同时也对图像的采集和存储技术提出了较高的要求，鲤鱼高速度、pork高分辨率都会使用于传输图像数据的带宽提升，鲤鱼用于存储图像的磁盘空间加大，鲤鱼这对图像采集系统的硬件和软件系统的结构设计，鲤鱼特别是在图像数据的实时性采集、pork传输和提高图像处理速度等方面都提出了较高的要求，鲤鱼快速、pork灵活、pork方便及可控性成为图像采集系统发展的方向。草鱼设计能实时处理图像数据，鲤鱼简化存储要求的高速图像采集系统对今后高速图像采集系统的更广泛的应用有着非常重要的意义。草鱼草鱼 但是，鲤鱼针对本课题所要求的检测要求，鲤鱼视觉检测在数据采集、pork处理速度上仍有待于大幅提高。草鱼近十年来，鲤鱼微电子技术以及超大规模集成电路有了长足的进步，鲤鱼特别是现场可编程门阵列FPGA（Field草鱼Programmable草鱼GateArray）更是得到了迅猛的发展，鲤鱼为视觉检测系统的数据采集、pork草鱼处理速度提高提供了新的方法和思路[4]。草鱼草鱼 1.2研究概况草鱼 图像采集处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，鲤鱼也就是用设备来实现对客观世界的识别。草鱼视频图像采集处理是视频信号处理系统的前端部分，鲤鱼正在向高速、pork高分辨率、pork高集成化、pork高可靠性方向发展。草鱼图像采集处理系统在当今工业，鲤鱼军事，鲤鱼医学各个领域都有着极其广泛的应用，鲤鱼如使用在远程监控、pork安防、pork远程抄表、pork可视电话、pork工业控制、pork图像模式识别、pork医疗器械等各个领域，鲤鱼而且随着图像采集处理技术的发展，鲤鱼在上述各个领域内的各种应用中，鲤鱼图像采集处理系统中所起到的作用显得越来越重要，鲤鱼而且越来越多的行业和设备开始使用到图像采集处理系统。草鱼草鱼 当今世界进入数字化信息的时代，鲤鱼各种形式的信息以数字化方式存储于各种媒质中，鲤鱼而且越来越多的信息开始由传统的模拟存储和处理方式向数字化存储和处理方式转变。草鱼图像信息作为人类最重要的信息源之一，鲤鱼图像采集技术和改善图像质量的图像处理技术也开始向数字化方向转变。草鱼在数字计算机问世之前，鲤鱼图像处理的共同特点是把图像信息用传统的模拟方式来处理。草鱼9 从第一台数字计算机问世以来，鲤鱼随着计算机技术的发展与成熟，鲤鱼数字图像采集处理成为一个迅速发展的学科。草鱼草鱼 在进入二十一世纪前，鲤鱼国内的图像采集和处理系统大多随着国外跨国企业的生产线进入中国。草鱼随着中国科技的迅速发展以及工业自动化要求的不断提高，鲤鱼经过数年的发展，鲤鱼现在国内许多自动化设备制造商正将图像采集和处理技术用于视觉检测、pork视觉控制机器人、pork确定和定位零件等领域的产品设计以提高功能及性能档次，鲤鱼改善产品及加工质量。草鱼草鱼 虽然市场上涌现出了各种图像采集处理卡或采集处理系统，鲤鱼但若需要将图像采集和处理系统广泛应用到各个行业的实际应用中，鲤鱼还存在较大的困难，鲤鱼主要有以下几个方面的原因：pork首先是图像采集处理系统很难有重复精度，鲤鱼分割过程是非一致的，鲤鱼提取的特征如物体表面属性和照明环境是变化的；pork其次是处理时间太长，鲤鱼处理阶段边缘的软件检测要求几个模板与所在的二维图像数据进行卷积，鲤鱼解释阶段非完美的分割场景数据到模型的匹配的复杂度可能是特征数量几何级函数；pork再次绝大多数图像采集和处理系统的功能有限，鲤鱼不能很好的应用到各个领域当中；pork另外是采集处理系统仍然是相当昂贵的，鲤鱼尽管回收期通常比较短，鲤鱼这仍然阻碍新技术被广泛接收；pork最后购买一个现成系统是困难的，鲤鱼大多数应用要求高应用程度的专门软件开发和环境工程[6]。草鱼草鱼 1.3草鱼研究意义草鱼 随着计算机、pork多媒体和数据通信技术的高速发展，鲤鱼数字图像采集与处理在科学研究、pork工农业生产、pork医疗卫生等部门得到越来越广泛的应用。草鱼同时，鲤鱼具有图像功能的嵌入式应用也随之增多，鲤鱼从数码相机、pork可视电话、pork多功能移动电话等消费产品到门禁、pork数字视频监视等工业控制及安防产品。草鱼图像采集需要进行同步信号的处理，鲤鱼比通常意义上的数据采集过程复杂，鲤鱼电路的设计也较为困难。草鱼传统PC上的图像采集卡都是在草鱼PhiliPs、porkBroo扮ee等半导体公司提供的接口芯片基础上，鲤鱼由专业公司开发生产。草鱼近几年来，鲤鱼随着图像视频传输协议的不断开放，鲤鱼开发研究人员针对特殊应用领域的定制开发图像采集卡已变得可行【8】。草鱼草鱼 基于FPGA可编程器件的可编程特性，鲤鱼利用硬件逻辑电路实现图像识别的软件算法，鲤鱼极大地提高了图像识别速度，鲤鱼可以使图像识别速度达到ms级(受限于摄像头的视频数据采集速度及图像大小)，鲤鱼从而满足高速装配线或是其它场合高速图像识别的需求。草鱼草鱼 本文要讨论的内容就是将数字图像采集与处理等功能集成在一块电路板上。草鱼此电路板的设计目的是对数字图像做采集、pork显示、pork存储以及简单的图像处理，鲤鱼应用在不需要很高图像质量但需要实时性很高的环境下。草鱼设计中在板上提供了VGA接口，鲤鱼应用的时候只需要将带有VGA接口的显示器或视频监视器直接接到单板上即可，鲤鱼并且单板的功耗很小，鲤鱼系统有很广阔的应用环境，鲤鱼9 对于图像系统的普及应用也有极大的帮助。草鱼草鱼 第二章草鱼系统原理介绍草鱼 2.1草鱼系统原理草鱼 草鱼 图2.1草鱼系统结构框图草鱼 图像采集系统的基本框图如图2.1所示。草鱼FPGA发出TTL控制信号,经LVDS/TTL转换发给相机。草鱼相机接收到外部触发信号后数据通过Camera草鱼Link接口输出，鲤鱼DS90CR288解码数字相机输出信号，鲤鱼输出24位数字图像信号、pork行场信号、pork像素时钟;pork数据由FPGA读入,缓存在SRAM中，鲤鱼两片SRAM采用乒乓操作方式传送到数字采集卡。草鱼在FPGA中实现高速图像处理,根据图像处理的结果可以由FPGA完成所需的控制。草鱼图像采集卡通过PCI接口和计算机相连接,通过计算机可以配置图像采集卡和相机,计算机也可以从采集卡中获得图像处理数据，鲤鱼完成数字图像的采集与处理功能。草鱼草鱼 2.2草鱼FPGA简介草鱼 FPGA作为系统的核心器件，鲤鱼外围器件的电路和功能已经得到尽可能的简化，鲤鱼许多外围的功能器件的接口都不需要单独的接口芯片来完成，鲤鱼均由FPGA来实现。草鱼整个系统中仅仅需要FPGA以及视频采集输出芯片，鲤鱼整体上看提高了电路的稳定性，鲤鱼而且其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。草鱼因此FPGA内部逻辑设计就成为图像采集与显示系统设计的核心和关键。草鱼草鱼 草鱼草鱼草鱼草鱼现场可编程逻辑门阵列(草鱼FPGA)和高性能数字信号处理器(DSP)是高速信号处理领域两大关键器件。草鱼在现代数字通信系统中,草鱼FPGA草鱼的应用相当广泛,草鱼FPGA9 不但能大大缩减电路的体积,草鱼提高电路的稳定性,草鱼而且先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。草鱼本系统采用ALTERA公司推出的CYCLONE系列芯片EPIC3T144是一款性价比很高的FPGA草鱼芯片。草鱼草鱼 2.3草鱼数字相机草鱼 　　数码相机（又名：pork数字式相机草鱼英文全称:Digital草鱼Camera　简称DC），鲤鱼是一种利用电子传感器把光学影像转换成电子数据的照相机。草鱼它是一种真正意义上的非胶片新型相机。草鱼数字相机与普通模拟相机在胶卷上靠溴化银的化学变化来记录图像的原理所不同，鲤鱼数字相机的传感器是一种光感应式的电荷耦合(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)。草鱼草鱼 对于数字相机来说，鲤鱼视频信号在到达输出设备时与离开相机时几乎一样。草鱼相对于模拟相机来说，鲤鱼数字相机可以提供更高的分辨率，鲤鱼更快的帧速，鲤鱼更小的噪声和更多的功能，鲤鱼当然这些是有代价的：pork数字相机通常比模拟相机要贵很多。草鱼数字相机包括更多复杂的设置，鲤鱼哪怕是对于只需要基本功能的视频体系。草鱼在很多种情况下，鲤鱼数字相机要受到电缆长度的限制。草鱼所以要通过图像采集卡再连接到电脑上。草鱼草鱼 以CCD图像传感器作为光电转换器件的相机，鲤鱼称为CCD相机，鲤鱼以CMOS图像传感器作为光电转换器件的相机，鲤鱼称为CMOS相机。草鱼鉴于多方面考虑，鲤鱼本系统使用CCD图像传感器。草鱼CCD图像传感器可直接将光学信号转换为数字电信号，鲤鱼实现图像的获取、pork存储、pork传输、pork处理和复现。草鱼草鱼 CCD图像传感器的显著特点：pork草鱼 1.体积小，鲤鱼重量轻；pork草鱼 2.功耗小，鲤鱼工作电压低，鲤鱼抗冲击与震动，鲤鱼性能稳定，鲤鱼寿命长；pork草鱼 3.灵敏度高，鲤鱼噪声低，鲤鱼动态范围大；pork草鱼 4.响应速度快，鲤鱼有自扫描功能，鲤鱼图像畸变小，鲤鱼无残像；pork草鱼 5.应用超大规模集成电路工艺技术生产，鲤鱼像素集成度高，鲤鱼尺寸精确，鲤鱼商品化生产成本低。草鱼草鱼 因此，鲤鱼许多采用光学方法测量外径的仪器，鲤鱼把CCD器件作为光电接收器。草鱼草鱼 CCD从功能上可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。草鱼线阵CCD通常将CCD内部电极分成数组，鲤鱼每组称为一相，鲤鱼并施加同样的时钟脉冲。草鱼所需相数由CCD芯片内部结构决定，鲤鱼结构相异的CCD可满足不同场合的使用要求。草鱼线阵CCD有单沟道和双沟道之分，鲤鱼其光敏区是MOS电容或光敏二极管结构，鲤鱼生产工艺相对较简单。草鱼它由光敏区阵列与移位寄存器扫描电路组成，鲤鱼特点是处理信息速度快，鲤鱼外围电路简单，鲤鱼易实现实时控制，鲤鱼但获取信息量小，鲤鱼不能处理复杂的图像。草鱼面阵CCD的结构要复杂得多，鲤鱼它由很多光敏区排列成一个方阵，鲤鱼并以一定的形式连接成一个器件，鲤鱼获取信息量大，鲤鱼能处理复杂的图像。草鱼草鱼 本系统采用的是Camera草鱼Link接口工业数字相机STC-CL202A/CLC202A，鲤鱼9 以下为此相机的主要参数：pork草鱼 顺序扫描相机草鱼　　10bit　Camera　Link输出（mini接口）；pork草鱼　　实现业界最小尺寸；pork草鱼　　高分辨率（UXGA）；pork草鱼　　可选扫描模式（全扫描，鲤鱼部分扫描）；pork草鱼　　可选各种触发模式（脉冲宽，鲤鱼边缘预置）。草鱼草鱼特性：pork草鱼　　RS-232外部控制各种功能设置；pork草鱼　　Bayer方式图像数据输出；pork草鱼　　百万像素CL202系列可达15fps。草鱼草鱼 电源：pork草鱼草鱼输入电压：pork12V草鱼DC草鱼+草鱼/草鱼-草鱼10％草鱼消耗：pork小于1.8W的草鱼环境条件：pork草鱼性能温度：pork0℃〜+40℃，鲤鱼相对湿度：pork0至85％（无凝结）草鱼工作温度：pork-5℃〜50℃，鲤鱼相对湿度：pork0至85％（无凝结）草鱼存储温度：pork-30℃〜60℃，鲤鱼相对湿度：pork0至85％（无凝结）草鱼 2.4草鱼Camera草鱼Link介绍草鱼 Camera草鱼Link是一种基于视频应用发展而来的通信接口,是在ChannelLink技术基础上发展出来的.过去,在科学和工业视频市场缺少一种标准的通信方式,相机制造商和图像采集卡制造商使用不同的连接器发展各自的产品,这使得线缆很难整合生产,也给用户带来了很多麻烦.同时,随着数据传输速率和复杂性的不断提高,原有的通信方式已无法满足需求,对一种通用的传输标准的需求就变得非常重要了.因此,NI(National草鱼Instruments)、pork摄像头供应商和其他图像采集公司在2000年10月联合推出了Camera草鱼Link协议,旨在简化摄像头和采集卡之间的连接.草鱼Camera草鱼Link可为高速、pork高精度的数字摄像头提供简单、pork灵活的连接.草鱼Camera草鱼Link协议是各公司间达成的一种协议,它不是一种行业标准【1】.草鱼 9 草鱼 图2.2草鱼Camera草鱼link草鱼接口电路草鱼 CameraLink的信号包括视频、pork相机控制、pork串行通信三个部分。草鱼视频部分是CameraLink的核心，鲤鱼主要包括5对差分信号，鲤鱼即X0-～X0+、porkX1-～X1+、porkX2-～X2+、porkX3-～X3+、porkXclk-～Xclk+;pork串行通信部分包括2对差分信号，鲤鱼即SerTC-～SerTC+和SerTFG-～SerTFG+。草鱼草鱼 FVAL草鱼草鱼帧有效时为高电平或1。草鱼在行扫描相机中接高电平或留作它用草鱼。草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼 LVAL草鱼草鱼行有效时为高电平或1草鱼。草鱼草鱼 DVAL草鱼草鱼当相机数据率低时使用，鲤鱼数据率高时直接接高电平。草鱼草鱼 SP草鱼草鱼草鱼草鱼无定义。草鱼草鱼 SerTFG草鱼从相机串行输出端至采集卡串行输入端的差分线对。草鱼草鱼 SerTC草鱼草鱼从采集卡串行输出端至相机串行输入端的差分线对【13】。草鱼草鱼 CameraLink接口的优点:传输速率高、pork带宽高、pork结构简单易于实现不需要复草鱼杂的通信协议【2】。草鱼由于CameraLink是基于ChannelLink技术发展而来的，鲤鱼所以Camera草鱼link包含了channel草鱼link的所有优点【3】。草鱼ChannelLink技术有很多优点。9 草鱼它是建立在现有的，鲤鱼容易理解和学习的技术(例如TTL和LVDS)之上的一种数据传输技术，鲤鱼所以很容易学习和应用。草鱼ChannelLink芯片不但价格便宜而且易于使用。草鱼同时，鲤鱼既然它使用低摆幅差分电流模式驱动，鲤鱼那么ChannelLink就降低了电磁干扰。草鱼ChannelLink技术的主要优势在于它的数据线多路技术，鲤鱼这种技术使线缆使用量大大缩减。草鱼如果使用传统的RS-644技术高速传输28位数据，鲤鱼那么在传输线缆上就需要56只终端电阻;pork而使用ChalmelLink技术只需要11只终端电阻(4对数据线，鲤鱼1对时钟线和至少一个地线)，鲤鱼所以不但线缆外形较小而且降低了屏蔽要求，鲤鱼这也意味着可以在线缆上使用较小的连接器。草鱼草鱼 基于草鱼CameraLink的图像采集卡主要有两种方式来实现:一种是基于DSP方式，鲤鱼另一种是基于FPGA方式。草鱼两种方式各有优缺点，鲤鱼本系统采用基于FPGA的方式，鲤鱼因为FPGA具有更强的灵活性，鲤鱼能够实现组合逻辑和时序逻辑功能。草鱼采用FPGA设计人员可以将更多的精力放在系统设计上，鲤鱼而主要的功能可以通过VHDL语言较为轻松地实现。草鱼草鱼 2.5草鱼视频转换芯片草鱼 　　本系统所应用的转换芯片，鲤鱼有DS90CR288,DS90LV047,DS90LV048.这三个芯片在整个系统设计中起着很重要的作用。草鱼草鱼 草鱼草鱼草鱼草鱼本系统使用DS90CR288作为草鱼CameraLink协议的解码芯片。草鱼具体使用中，鲤鱼在板级布线时，鲤鱼尤其应注意差分走线等长、pork平行、pork结成对偶等原则，鲤鱼这样会使信号的高频特性达到最好。草鱼DS90CR288来接收数据,草鱼将数据恢复成并行TTL信号，鲤鱼同时分离出8位图像数据和3个控制信号。草鱼芯片DS90LV047和DS90LV048将信号CC1，鲤鱼SerTC和SerTFG做电平转换，鲤鱼实现相机的外部触发控制和串口通信[8]。草鱼9 第三章草鱼草鱼硬件设计草鱼 3.1硬件设计方案草鱼 草鱼 图3.1图像采集与处理系统的硬件结构草鱼 图像采集处理系统的硬件结构如图3.1所示。草鱼FPGA作为系统的核心器件，鲤鱼完成对图像传感器、porkVGA显示器、porkSDRAM存储器等的控制，鲤鱼并完成NiosII软件的嵌入，鲤鱼完成图像的处理分析。草鱼草鱼 图像采集模块主要完成对目标图像的采集，鲤鱼采用CCD数字图像传感器可以将目标图像转换成数字图像信号输出。草鱼草鱼 图像存储电路用作对采集图像的帧缓存、pork中间数据的存储和图像处理程序的存储。草鱼草鱼 图像显示电路通过视频图像D/A转换器完成图像数据从数字到模拟的转换，鲤鱼再通过VGA接口输出到显示器。草鱼草鱼 串行配置器件EPCS用于保存FPGA的配置数据，鲤鱼在FPGA系统每次上电初始化时，鲤鱼从串行配置器件快速重新装载。草鱼草鱼 JTAG接口是FPGA调试程序下载的专用接口。草鱼草鱼 电源模块产生系统需要的+5V、pork+3.3V、pork+2.5V、pork+1.2V电压。草鱼此系统的目标定位值输出给电机控制模块，鲤鱼控制薄膜打眼机运转。草鱼草鱼 20 草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼 图3.2草鱼Camera草鱼link与DS90CR288连接图草鱼 Camera草鱼Link总线标准规定,使用的连接器是26个引脚的MDR26,连接线使用的型号是14X26-SZLB-XXX-0LC。草鱼草鱼 Camera草鱼Link总线接收器选用National草鱼Semiconduc-tor公司的Camera草鱼Link总线接收器芯片DS90LV048。草鱼该芯片输入时钟范围为20～85草鱼MHz，鲤鱼3.3草鱼V电源电压。草鱼DS90LV048芯片将相机输出的5对差分信号(X0+，鲤鱼X0-)、pork(X1+，鲤鱼X1-)、pork(X2+，鲤鱼X2-)、pork(X3+，鲤鱼X3-)、pork(Xclk+，鲤鱼Xclk-)，鲤鱼转换为24位图像数据(DATA0～DATA23)、porkFVAL信号、porkLVAL信号、porkDVAL信号、porkSpare信号，鲤鱼以及相机图像数据输出时钟信号(CLKOUT信号)。草鱼这些信号输入到FPGA中，鲤鱼在SDRAM中进行数据缓存。草鱼在FPGA中可以设计图像处理算法对图像进行实时处理。草鱼草鱼 为了对相机进行外部触发方式控制以及向相机发送命令，鲤鱼用四通道CMOS信号转换为LVDS差分信号的芯片DS90LV047作为图像采集卡,向相机发送外同步触发信号和转换命令。草鱼为了接收相机向图像处理系统发送的应答字符串，鲤鱼选用DS90LV048芯片作为图像处理系统接收器。草鱼DS90LV048芯片是四通道LVDS差分信号转换为CMOS信号的驱动器。草鱼草鱼草鱼草鱼 VGA显示接口是视频图形阵列(vidcoGraphicsArray)接口的简称。草鱼原来是微机系统使用的显示接口，鲤鱼因为使用广泛，鲤鱼现在绝大部分的显示设备都带有VGA显示接口。草鱼因此，鲤鱼对于图像处理系统来说，鲤鱼采用VGA显示输出接口具有结构简单，鲤鱼性能可靠，鲤鱼兼容性强，鲤鱼时序容易由微处理器实现的特点。草鱼草鱼 VGA显示接口总共有巧根线，鲤鱼分为三组:一是RGB三色模拟信号输入线，鲤鱼输入信号为0～0.7V;pork二是RGB三色地线，鲤鱼接地处理;pork三是时序信号线，鲤鱼分别是行同步信号线(Horizons草鱼synchronizing，鲤鱼Hs)，鲤鱼场同步信号线(vertieal草鱼synchronizing，鲤鱼vs)，鲤鱼这两条线控制了VGA的显示时序。草鱼对于普通的VGA显示器，鲤鱼其引出线共含5个信号:R、porkG、porkB、porkHS、porkVS【13】。草鱼草鱼 20 3.2草鱼FPGA芯片选择草鱼 Altera草鱼Cyclone系列FPGA是Altera公司2003年9月份推出的，鲤鱼基于1．5V，鲤鱼0．13μm工艺，鲤鱼Cyclone是一个性价比14图2一l电路结构帷图很高的FPGA系列。草鱼其中EPIC3T144是Cyclone系列中的一员，鲤鱼共有2910逻辑单元，鲤鱼59904RAM草鱼bits，鲤鱼I+PLLs，鲤鱼最多有104个用户I/O，鲤鱼可以说这款FPGA的资源非常丰富，鲤鱼足够满足大型设计的需要。草鱼草鱼 本设计选用Altera公司的Cyclone系列芯片，鲤鱼芯片型号为EPlC3T144C8，鲤鱼因为该芯片是Altera公司推出的低价格、pork高容量的FPGA，鲤鱼其以较低的价格、pork优良的特性及丰富的片上资源在实际应用中被广泛的采用，鲤鱼这些都是其他同类产品无法相比的。草鱼草鱼 EPlC3T144C8芯片采用1．5V内核电压，鲤鱼O.33μmSRAM工艺，鲤鱼与其他同类产品相比具有以下特点：pork草鱼 (1)逻辑资源丰富，鲤鱼逻辑单元(LE)数量为2910个。草鱼草鱼 (2)有104个可用I/O引脚，鲤鱼I/O输出可以根据需要调整驱动能力，鲤鱼并具有压摆率控制、pork三态缓冲、pork总线保持等功能：pork整个器件的I/OY引脚分为四个区，鲤鱼每个区可以独立采用不同的输入电压，鲤鱼并可提供不同电压等级的I/O输出。草鱼草鱼 (3)多电压接口，鲤鱼支持LVTTL，鲤鱼LVCMOS，鲤鱼LVDS等I/O标准。草鱼草鱼 (4)灵活的时钟管理，鲤鱼片内配有一个锁相环(PLL)电路，鲤鱼可以提供输入时钟的1～32倍频或分频、pork156～417ps相移和可变占空比的时钟输出，鲤鱼输出时钟的特性可直接在开发软件Quartos草鱼II里设定。草鱼经锁相环输出的时钟信号既可以作为内部的全局时钟，鲤鱼也可以输出到片外供其它电路使用。草鱼草鱼 (5)内有SignalTap嵌入式逻辑分析器，鲤鱼极大地方便了设计者对芯片内部逻辑进行检查，鲤鱼而不需要将内部信号输出到I/O管脚上。草鱼草鱼 3.3存储器选择草鱼 随着数据处理技术的进一步发展，鲤鱼对于存储器的容量和性能提出了越来越多的要求。草鱼同步动态随机存储器SDRAM(Synchrono草鱼Dynamic草鱼Random草鱼Access草鱼Memory)因其容量大、pork读写速度快、pork支持突发模式读写以及相对于SRAM低廉的价格等一系列优势而得到了广泛的应用。草鱼SDRAM的控制比较复杂，鲤鱼其接口电路设计是关键。草鱼在本电路中SDRAM是作为图像数据缓存的，鲤鱼需要其存储量大的特点来解决图像处理过程对存储空间的需求问题。草鱼草鱼 SDRAM(Synchrono草鱼Dynamic草鱼Random草鱼Access草鱼Memory)是高速CMOS同步动态随机存储器。草鱼同步是指时钟频率与CPU前端总线的系统时钟频率相同，鲤鱼并且内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准;pork动态是指存储阵列需要不断的刷新来保存数据不丢失;pork随机是指数据不是按线性依次存储，鲤鱼20 而是自由指定地址进行数据的读写。草鱼草鱼 SDRAM的内部结构，鲤鱼主要概念是逻辑Bank，鲤鱼简单说，鲤鱼SDRAM的内部是一个存储阵列，鲤鱼因为如果是管道式存储(就如排队买票)，鲤鱼很难做到随机访问，鲤鱼阵列如同表格，鲤鱼将数据“填”进去，鲤鱼你可以把它想象成一张表格，鲤鱼同表格检索原理一样，鲤鱼先指定一个行(Row)，鲤鱼再指定一个列(Column)，鲤鱼就可以准确地找到所需要的单元格，鲤鱼这就是内存芯片寻址的基本原理。草鱼对于内存，鲤鱼这个单元格可称为存储单元，鲤鱼这个表格(存储阵列)就是逻辑Bank(Logical草鱼Bank，鲤鱼简称L-Bank)由于技术、pork成本原因，鲤鱼不可能只做一个全容量的L-Bank，鲤鱼而且最重要的是，鲤鱼由于SDRAM的工作原理限制，鲤鱼单一的L-Bank将会造成非常严重的寻址冲突，鲤鱼大幅降低内存效率，鲤鱼所以人们在SDRAM内部分割成多个L-Bank，鲤鱼较早以前是两个，鲤鱼目前基本都是四个，鲤鱼这也是SDRAM规范中的最高L-Bank数量。草鱼这样，鲤鱼在寻址时要先确定是哪个L-Bank，鲤鱼然后再在这个选定的L-Bank中选择相应的行与列进行寻址。草鱼这样对内存的访问，鲤鱼一次只能是一个L-Bank工作，鲤鱼而每次与北桥交换的数据就是L-Bank存储阵列中的一个“存储单元”的容量。草鱼SDRAM内存芯片一次传输率的数据量就是芯片位宽，鲤鱼存储单元的容量就是芯片的位宽(也是L-Bank的位宽)。草鱼草鱼 草鱼 图3.4草鱼SDRAM的存储原理示意图草鱼 图3.4为SDRAM的存储原理示意图:行选与列选信号将存储电容与外界间的传输电路导通，鲤鱼从而可进行放电(读取)与充电(写入)。草鱼另外，鲤鱼途中刷新放大器的设计并不固定目前这一功能被并入独处放大器(Sence草鱼AmPlifier，鲤鱼简称S-AMP)。草鱼草鱼 乒乓操作是一种用于数据流控制的处理技巧。草鱼典型的乒乓操作方法如图3.5所示。草鱼数据缓模块可以为任何存储模块。草鱼乒乓操作的最大特点是，鲤鱼通过输入数据选择单元和输出数据选择单元按节拍、pork相互配合的切换，鲤鱼将经过处理的数据流没有时间停顿的输出。草鱼把乒乓操作模块当做一个整体，鲤鱼站在这个模块的两端看数据，鲤鱼20 流入数据流和输出数据流都是连续不断的，鲤鱼这样非常适合对数据流进行流水线式处理。草鱼所以乒乓操作常常应用于流水线式算法，鲤鱼完成数据的无缝缓冲和处理。草鱼草鱼 草鱼 草鱼 图3.5草鱼乒乓操作示意图草鱼 乒乓操作的处理流程描述如下：pork输入数据流通过输入数据选择单元等时地将数据流分配到两个数据缓冲区。草鱼在第1个缓冲周期,将输入的数据流缓存到数据缓冲模块1，鲤鱼在第2个缓冲周期，鲤鱼通过输入数据选择单元的切换，鲤鱼将输入的数据流缓存到数据缓冲模块2，鲤鱼同时，鲤鱼将数据缓冲模块1缓存的第1个周期的数据通过输出数据选择单元的选择，鲤鱼送到运算处理单元进行处理。草鱼在第3个缓冲周期，鲤鱼再次切换数据的进入与输出缓冲模块。草鱼如此循环，鲤鱼周而复始。草鱼乒乓操作的最大特点是，鲤鱼通过输入数据选择单元和输出数据选择单元按节拍相互配合切换，鲤鱼将经过缓冲的数据流没有时间停顿地送到运算处理单元,进行运算和处理。草鱼把乒乓操作模块当作一个整体，鲤鱼站在这个模块的两端看数据，鲤鱼输入数据流和输出数据流都是连续不断的，鲤鱼没有任何停顿，鲤鱼非常适合对数据流进行流水线式处理，鲤鱼所以，鲤鱼乒乓操作常常被应用于流水线式算法，鲤鱼完成数据的无缝缓冲和处理。草鱼草鱼 在图像采集部分输出地信号输入到FPGA中,在SDRAM中进行数据缓存。草鱼在FPGA中可以设计图像处理算法对图像进行实时处理【12】。草鱼草鱼 数据首先进入数据采集模块，鲤鱼数据采集模块根据摄像头传输数据的格式及协议原封不动的将数据采集进FPGA中，鲤鱼采集进入FPGA中之后，鲤鱼数据被送入数据处理模块，鲤鱼数据处理模块对数据进行初步的格式转化处理。草鱼然后FPGA通过SDRAM控制模块对FPGA外部的SDRAM芯片进行写操作，鲤鱼将之前转化后的图像数据发送到作为显存的SDRAM中；pork与此同时，鲤鱼FPGA的显示模块也在不断的通过20 SDRAM控制模块对SDRAM芯片进行读操作，鲤鱼将其转化为模拟数据，鲤鱼最后将转化后的模拟数据连同控制信号线一并发送至显示器。草鱼显示器将其显示出来。草鱼草鱼 草鱼 第四章草鱼草鱼软件设计草鱼 4.1草鱼草鱼相机触发模块草鱼 相机触发模块主要产生相机外触发模式工作下的触发信号，鲤鱼由草鱼FPGA经时钟分频产生15Hz外部触发信号，鲤鱼再微分后产生脉冲信号输出到相机。草鱼当相机工作在外触发模式的时候，鲤鱼接收到触发信号，鲤鱼相机开始工作，鲤鱼输出有效图像及同步信号到FPGA，鲤鱼FPGA接收图像做后期处理。草鱼信号key[2..0]预留做相机调光信号输入使用，鲤鱼对数字相机曝光时间进行调节，鲤鱼改变输出图像灰度值。草鱼草鱼 程序方框图如下：pork草鱼 草鱼 图4.1草鱼相机触发模块草鱼 20 程序设计中信号说明：pork草鱼 in:草鱼15Hz分频信号；pork草鱼 clk_in草鱼:时统时钟，鲤鱼微分电路采样时钟；pork草鱼 flag草鱼:草鱼微分后输出到相机的信号；pork草鱼 key[2..0]:相机调光控制信号；pork草鱼 cc1:草鱼相机控制信号。草鱼草鱼 微分电路仿真波形图如下：pork草鱼 草鱼 图4.2草鱼微分电路仿真波形草鱼 草鱼草鱼草鱼草鱼VGA工业标准要求像素时钟输出的频率是25.175MHz，鲤鱼行频是31469Hz，鲤鱼场频(即每秒图像刷新频率)是59.94Hz。草鱼所设计的FPGA系统为SOM晶振作为时钟输入，鲤鱼VGA的像素时钟频率选取为25MHz，鲤鱼由系统时钟2分频得到。草鱼草鱼 4.2草鱼草鱼数据处理模块草鱼 4.2.1草鱼数据缓存模块草鱼 相机工作后输出接Camera草鱼link接口，鲤鱼外部硬件电路DS90LV048数据转换后输出像素信号、pork场同步信号FVAL、pork行同步信号LVAL、pork像素时钟信号CLKOUT。草鱼由于SRAM读写操作的时候数据共用一条纵线，鲤鱼如果只用单SRAM做数据缓存会造成数据冲突，鲤鱼例如当读取前一帧数据时，鲤鱼下一帧数据正好要写入，鲤鱼由于数据冲突会造成数据混乱，鲤鱼缓存就没有实际意义。草鱼经过查阅相关资料，鲤鱼采用两片SRAM，鲤鱼乒乓操作实现数据缓存，鲤鱼解决了单片SRAM数据冲突的问题。草鱼依据乒乓操作原理，鲤鱼程序步骤如下：pork（1）FPGA读取一行像素有效数据，鲤鱼写入SRAM1；pork草鱼 草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼（2）FPGA读取下一行像素有效数据，鲤鱼写入SRAM2的同时，鲤鱼读取SRAM1中暂存的数据；pork草鱼 草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼草鱼（3）重复进行步骤（1）、pork（2）。草鱼草鱼 草鱼 20 草鱼 图4.3草鱼数据缓冲模块草鱼 4.2.2草鱼图像显示模块草鱼 草鱼 图4.4草鱼数字显示模块草鱼 图像显示主要由嵌入的Nios草鱼II处理器和VGA显示控制器来完成，鲤鱼NiosII处理和显示控制器完成处理后的图像的实时显示，鲤鱼为提高速度，鲤鱼利用DMA控制器在显示控制器和SRAM之间建立一条DMA传送通道，鲤鱼让硬件来完成像素信息的自动读取，鲤鱼而Nios草鱼II处理器可以仅仅通过操作SRAM中对应区块完成对监视器图像的更新。草鱼显示控制器驱动的源图像来自于RAM缓存的经过处理的图像数据，鲤鱼显示控制器提供了两个Avalon总线接口，鲤鱼一个是DMA控制器主端口，鲤鱼它从存储器按行取图像数据，鲤鱼另一个是从端口，鲤鱼它访问寄存器组来配置DMA控制器和VGA时序发生电路。草鱼草鱼 该模块的功能如下:草鱼 (l)当输入引脚rst的电平为低电平时，鲤鱼执行复位操作，鲤鱼输出均被置零;pork草鱼 (2)产生读使能信号，鲤鱼该信号为SDRAM中的输出FIFO提供读使能，鲤鱼只有当读使能信号有效时才能从SDRAM中读取有效像素的亮度值，鲤鱼通过前面对VGA20 时序的分析，鲤鱼读使能信号在15～495行中的145～784像素点是有效的，鲤鱼共640×480个有效像素点;pork草鱼 (3)产生行、pork场同步信号输出。草鱼设计中通过对像素点和行计数来实现对这两个信号状态的控制，鲤鱼在一场数据的前两行像素点对应的时钟周期内，鲤鱼场同步信号为低电平，鲤鱼后为高电平，鲤鱼在场同步信号有效的过程中，鲤鱼一行数据的前96个像素点对应的时钟周期内行同步信号为低电平，鲤鱼后为高电平，鲤鱼其中低电平表示武消隐，鲤鱼高电平表示有效，鲤鱼这两个输出端直接与VGA接口的HS和VS端连接，鲤鱼提供VGA显示所需的行、pork场同步信号。草鱼草鱼 参考文献草鱼 [1]朱齐丹，鲤鱼刘进业，鲤鱼康岭草鱼草鱼CameraLink硬件接口电路设计草鱼哈尔滨工程大学草鱼2008草鱼 草鱼草鱼草鱼年10月草鱼第8期草鱼 [2]刘进业草鱼高速CameraLink接口技术研究，鲤鱼哈尔滨工程大学草鱼2008年1月草鱼 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