基于FPGA的图像采集系统设计与实现Word文档下载推荐.doc
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图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块。
关键词:
FPGA;
TVP5150;
RGB色域;
ADV7123芯片
ImageacquisitionsystembasedonFPGAdesignandimplementation
Abstract
Itistherapiddevelopmentofscienceandtechnology,digitalimageprocessingtechnologyhasbeenrapiddevelopmentinthiseraandhasbeenwidelyusedinallwalksoflife,andthematurityofFPGAtechnologyhaschangedthecommonlyusedparallelcomputerordigitalsignalprocessor(DSP),aspecialintegratedcircuit(ASIC)astheembeddedprocessorusage.Programmablelogicdevice(FPGA)withitslowcost,highparallelprocessingspeed,flexibilityandshortdevelopmentcycleandothercharacteristics,hasitsuniqueadvantagesinimageprocessingsystem.Theprojectdemand,thispaperpresentsasolutionofimageacquisitionandprocessingsystembasedonFPGA,andtheuseoflowcostandhighperformanceofAlteracompany'
sCyclonelIseriesFPGAEP2C8Q208C8Nasthecore,designanddevelopmentofintegratedsystemofhardwareandsoftwareofimageacquisitionandprocessing.
Inviewofthereliabilityofvideoimageacquisitionandreal-timeperformance,thispaperdescribeshowtoFPGAforvideoacquisitionsystemcontrol.UsingCycloneⅡEP2C8Q208C8NKchipproducedbyAlteracompany,isresponsibleforreceivingandprocessingvideodatafromtheTVP5150decoding,convertsthedataintoRGBcolorgamutintheoutputtotheADV7123chip.Afterdebugging,thesystembettergenerality,andmobileperformanceisalsogood.
Keywords:
FPGA;
RGBcolorgamut;
ADV7123chip
目 录
1 前言 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 研究的现状及特点 2
1.3 研究的主要内容 2
2 图像采集系统的硬件电路设计 3
2.1 采集系统硬件的总体设计 3
2.2 FPGA核心模块 5
2.3 外围电路 6
2.4 图像采集电路 7
2.4.1 图像传感器 7
2.4.2 A/D转换电路 8
2.5 图像显示电路 8
3 图像采集系统的软件设计 11
3.1 系统的设计环境 11
3.2 设计的主要流程 12
3.3 设计内部数据量的变换 13
3.3.1 IIC数据总线 13
4 调试 17
参考文献 18
致谢 19
附录 20
1 前言
1.1 课题背景与意义
随着多媒体技术在各个应用领域不断普及,用户会不断要求新产品具有更大的图像容量、更高的图像质量和更快的图像处理速度,这为图像的存储和处理提出了更高的要求。
在数字图像处理可视电话通信、数字电视等应用中,遇到的首要难题就是数据量过大,导致图像传输和存储成问题。
现场可编程门阵列(FPGA),与传统逻辑电路和门阵列相比FPGA具有不同的结构它增强了电路设计的灵活性。
不但降低了开发成本,而且也减小了设计风险,并且充分挖掘图像处理算法中的并行性,在较低主频下能获得可观的执行速度。
因此,在信号处理方面得到了广泛的应用。
FPGA作为系统以及图像采集处理板卡的核心器件,外围器件的电路和功能已经得到尽可能的简化,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,均由FPGA来实现.整个系统中仅仅需要FPGA以及FPGA配置芯片、SDRAM、PCI接口芯片三个主要的芯片,整体上看提高了电路的稳定性,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。
因此FPGA内部逻辑设计就成为图像采集处理系统设计的核心和关键。
1.2 研究的现状及特点
20世纪20年代,图像处理首次得到应用。
20世纪60年代中期,随电子计算机的发展得到普遍应用。
60年代末,图像处理技术不断完善,逐渐成为一个新兴的学科。
利用数字图像处理主要是为了修改图形,改善图像质量,或是从图像中提起有效信息,还有利用数字图像处理可以对图像进行体积压缩,便于传输和保存。
数字图像处理主要研究以下内容:
傅立叶变换、小波变换等各种图像变换;
对图像进行编码和压缩;
采用各种方法对图像进行复原和增强;
对图像进行分割、描述和识别等。
随着技术的发展,数字图像处理主要应用于通讯技术、宇宙探索遥感技术和生物工程等领域。
数字图像处理因易于实现非线性处理,处理程序和处理参数可变,故是一项通用性强、精度高、处理方法灵活、信息保存、传送可靠的图像处理技术。
主要用于图像变换、量测、模式识别、模拟以及图像产生,并广泛应用在遥感、宇宙观测、影像医学、通信、刑侦及多种工业领域[1]。
而在对图像处理这一技术上FPGA具有以下几种特点:
(1):
高性能,可以在一片FPGA中完成多种处理功能
(2):
灵活性高使产品快速面市,方便产品跟新,满足不断发展的需求
(3):
低开发成本并且结构化容易操作
(4):
不会过时,其拥有非常广泛的客户基础,而且FPGA可以很容易的从一个工作节点移植到下一个工作节点。
1.3 研究的主要内容
先利用CCD图像传感器采集图像模拟量输入给TVP5150芯片,再利用Altera公司的CyclonelI系列FPGAEP2C8Q208C8N芯片,负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据,将该数据转换到RGB色域后在输出到ADV7123芯片再传输到液晶显示器。
在系统设计过程中需要研究以下问题:
制定图像采集系统的整体的设计方案.。
设计图像采集模块,图像处理模块,图像显示模块,和FPGA主控制模块。
程序的编译与仿真,通过对程序的编译与仿真实现了对FPGA芯片控制,将数据转换到RGB色域后输出。
系统设计过程中主要通过Quartus9.1的开发环境编译系统的程序,然后使用下载软件将程序下载到单片机运行,通过运行情况修改程序再进行调试。
调试的是从单个模块开始,然后进行综合调试至系统功能的实现。
2 图像采集系统的硬件电路设计
2.1 采集系统硬件的总体设计
如图2-1所示:
该系统包括几个功能模块:
其中图像采集模块主要由外接摄像头和TVP5150解码芯片组成,完成视频信号的采集和硬件解码能,并以ITU-656标准输出YUV4:
2:
2信号;
图像处理模块选用的FPGA是Altera公司生产的CycloneⅡEP2C8Q208C8N芯片构成,完成系统控制,视频信号的采集以及后续处理等工作;
图像显示模块主要由ADV7123芯片、VGA接口和CRT显示器等组成,主要完成视频信号的数模转换,输出并显示视频信号。
CCD摄像头
AD转换及视频解码
FPGA解码
色域转换
控制A/D芯片
控制D/A芯片
控制VGA输出
D/A转换
VGA接口
CRT显示
图2-1 图像采集系统的硬件总体设计
在图2-1所示视频图像的采集与处理过程中,FPGA作为整个系统的控制与处理核心,主要是通过该芯片的I/O管脚来控制数据采集芯片TVP5150和高速D/A转换芯片ADV7123,并且负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据,将该数据转换到RGB色域后输出到ADV7123芯片。
实物如图2-2所示:
图2-2 硬件实物
2.2 FPGA核心模块
在充分考虑性价比和设计功能的基础上,决定采用Altera公司CycloneII系列的FPGA,它是Altera公司最新一代SRAMI艺、中等规模的低成本FPGA,与Stratix结构类似,是目前的主流产品。
它支持各种单端I/O标准(如LVlvrL、LVCOS、和SSTL.2/3),通过LVDS和RSDS标准提供多达227个通道的差分I/O支持,LVDS通道高达640Mbps。
它具有生成时钟锁相环以及DDR、SDR和快速RAM(FCRAM)存储器所需的专用双数据率(DDR)接口等。
它完全支持Altera公司的NiosII处理器,支持通过SOPC(可编程片上系统)软件对这个系列的芯片进行专门优化,使其性能得到进一步提高。
其芯片如图2-3所示:
图2-3 核心芯片引脚图
2.3 外围电路
外围电路包括多种电路模块例如电源电路模块,晶振电路模块,复位电路模块等等。
在众多电路模块中最重要的是电源模块,电源模块是整个系统的基础,它为其它各个硬件系统模块提供其所需的工作电源。
而且由于系统采用的芯片较多,需要电源模块提供多种不同的电源信号,例如为数字电路芯片提供数字电压,而对模拟电力模块提供模拟电压
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