基于fpga的数字cmos摄像机图像采集

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1、基于FPGA的数字CMOS摄像机图像采集一、数据采集系统概述数据采集是指将以各种形式输入的被测信号，包括语音信号、温度信号、湿度信号、图像信号等经过适当处理，成为计算机可以识别的数字信号，从而送入计算机进行存储处理的过程，数据采集卡就是典型的基于数据采集系统原理的集成计算机扩展卡。如图1所示，在数据采集过程中主要有几个关键部分:(1)输入信号的幅度较小或者过大，需要经过放大器单元将输入信号幅度放大或者缩小;(2)输入信号带有较大的噪声，需要经过一个硬件的模拟滤波单元，将信号滤波整形;(3)将信号送到AD进行模数转换;(4)将信号传输到计算机

2、；(5)存储记录和处理数据。图1数据采集过程通常认为如果数字逻辑电路的频率超过50MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到了整个电路系统的三分之一以上，就称为高速电路。相应的，对于并行采样系统，如果采样频率达到50MHZ，数据量并行8bit以上;对于串行采样系统，如果采样频率达到200MHz，一般将这种采样系统也称为高速数据采集。目前高速数据采集使用较多的采样频率一般在50M~100MHz之间。采集系统分模拟系统和数字系统，大多数字采集系统中，CMOS图像传感器是系统的成像部件，它是系统的“眼睛”，能够捕获高速运动物体的图像，此模块是将

3、采集的模拟图像转化为数字信号输出;图像处理模块是系统的中间缓存处理部分，此模块为了消除或降低前期采集携带噪声的影响，提高图像质量，将庞大的数据量进行压缩，以减小对存储介质容量的要求;数据传输模块是系统与外设搭建的桥梁，此模块是将实时采集的数据高速传输，给外设提供信息。二、总体方案设计方案1：图像数据的传输通过USB总线技术完成系统的初始化以及将最终的传输信号准确无误地传送到上位机上。USB技术具有简单化、通用性、可靠性、热插拔、传输速率高等优点，随之带来的是应用USB技术的复杂程度高、总线传输协议需要协调等问题。方案2：利用两片SDRAM进

4、行图像数据的短时间存储并快速传输，SDRAM是多Bank结构，23/23例如在一个具有两个Bank的SDRAM的模组中，其中一个Bank在进行预充电期间，另一个Bank却马上可以被读取，这样当进行一次读取后，又马上去读取已经预充电Bank的数据时，就无需等待而是可以直接读取了，这也就大大提高了存储器的访问速度。其优点是设计相对简单、不许考虑传输时转换总线的问题、较为可靠，缺点是SDRAM容量有限、传输时序需要计算准确、SDRAM经常刷新等。根据综合分析和考虑，我们选用相对简单方便的方案2，选择器件如下：FPGA采用Altera的Cyclon

5、eEP2C35F484C8，视频采集芯片用飞利浦的SAA7113作为A/D转换单元，两块型号为K4S641632E的SDRAM和FPGA构成图像帧存储及传输处理系统，ADV7125是数模转换芯片，和计算机VGA显示器相连作为显示终端，系统整体框图如图2所示。图2视频监控系统整体框图以上图像视频监视系统的大部分设计工作都集中在对FPGA的编程开发上，通过分析可以确定出FPGA需要包含如下几个功能模块。（1）视频接口配置模块：视频采集芯片SAA7113具有多种采集方式，这里FPGA通过I²C总线对其内部寄存器进行配置，使其按照一定的格式进行采样

6、。（2）异步FIFO模块：当FPGA接收A/D采样的视频数据时，由于SAA7113和FPGA一般在不同的时钟频率下，这就会出现通常所说的异步时钟问题，处理不当就容易出现亚稳态，常用方法是在两者之间添加一块异步FIFO。（3）视频变换模块：对得到的数字视频流进行解码，识别出行、场同步信号，并且根据需要选择采集图像的大小，进而变换成RGB格式的图像数据，以便于后续显示。（4）图像帧存读写模块：将解码后的数据经由一个乒乓机制依次存放在两片RAM中，每个里面刚好存放一幅图像，通过乒乓机制使得两块存储区域交替进行存储输入和显示输出，避免等待，提高速度

7、。（5）VGA控制模块：根据VGA的工业参数，产生相应的行同步和场同步信号，并在适当时刻送入数据，经由ADV7125送VGA进行显示。图3描述了FPGA内部的各个主要功能模块。系统上电时，FPGA首先从外部Flash中读取配置数据，完成自身的程序加载，进入工作模式状态。随后I²C配置接口模块完成对23/23SAA7113的初始化，初始化结束后，FPGA等待采集图像的命令。FPGA收到采集命令后，启动采集视频数据模块、异步FIFO模块和视频解码模块进行解码，将数据轮换写到两个帧存中，经通信模块送出，以上即为该系统的工作流程。下面主要针对SDR

8、AM控制模块的具体实现过程进行详细分析和介绍。图3FPGA系统内部各模块整体框图三、SDRAM控制模块系统要把每一幅图像数据存储到一个SDRAM里面供后续显示，由于SDRAM整个