基于FPGA和PCI的图像处理系统设计

摘要

随着光学和电子技术的发展，用来代替人类视觉的图像处理系统在诸多领域得到了广泛应用，如系统安全、军事对抗、工业检测、生物医学等。与此同时，人们对图像处理系统的要求也越来越高，如更快的速度、更低的功耗、更强大的功能等。为了顺应图像处理领域的发展趋势，本文研究设计了一种基于FPGA和PCI的图像处理系统。
　　本文着重研究了图像处理系统的硬件设计，包括电源、CameraLink图像采集、核心处理器FPGA、SSRAM和DDR2 SDRAM外围数据存储以及PCI数据传输等各个模块的原理图和PCB设计。其中，原理图设计部分重点介绍了系统的电源模块设计，PCB设计部分重点介绍了关键器件的布局和重要信号的布线。
　　此外，本文设计系统包含有许多高速器件，它们的信号极易受到干扰，如信号传输过程中的反射、串扰，电源系统的谐振、同步开关噪声(SSN)等都会影响信号质量。为了防止这些干扰，本文在研究了信号完整性(SI)和电源完整性(PI)的理论基础上，对DDR2的差分时钟信号、地址和数据总线进行了SI仿真，对系统电源进行了谐振仿真，对FPGA和DDR2之间的8根信号线进行了SSN仿真，并根据仿真结果调整系统设计，最终保证了信号的质量要求。
　　最后，对系统的整体功能进行了综合测试，结果表明本系统可以高效地完成图像数据的采集、预处理和传输功能，达到了预期设计目标。

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摘要

图表目录

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作及内容安排

2 系统总体设计

2．1 典型系统硬件平台介绍

2．1．1 核心处理器的选择

2．1．2 数据传输方式的选择

2．2 本文系统总体设计方案

2．2．1 系统总体结构

2．2．2 系统设计工具

2．3 成像设备介绍

2．3．1 CV-L107CL相机介绍

2．3．2 CV-L107CL相机工作原理

2．4 核心器件FPGA介绍

2．4．1 FPGA的逻辑资源

2．4．2 FPGA的I／O资源

2．4．3 FPGA的时钟资源

2．5 本章小结

3 系统硬件设计

3．1 系统电源设计

3．1．1 电源模块需求分析

3．1．2 电源模块整体规划

3．1．3 电源模块电路设计

3．2 FPGA外围电路设计

3．2．1 FPGA时钟电路设计

3．2．2 FPGA配置电路设计

3．3 图像采集模块设计

3．3．1 CameraLink接口介绍

3．3．2 CamcraLink接口电路设计

3．4 外部存储模块设计

3．4．1 SSRAM存储器电路设计

3．4．2 DDR2 SDRAM存储器电路设计

3．5 PCI数据传输模块设计

3．5．1 PCI体系结构

3．5．2 PCI总线基本特征

3．5．3 PCI接口重要信号的说明

3．5．4 PCI接口电路设计

3．6 PCB板设计

3．6．1 元器件封装的制作

3．6．2 PCB板叠层设计

3．6．3 重要器件的布局

3．6．4 电源平面的分割

3．6．5 重要信号的布线

3．7 本章小结

4 信号完整性

4．1 信号完整性基本理论

4．1．1 信号完整性简介

4．1．2 高速信号与传输线理论

4．2 典型的信号完整性问题

4．2．1 信号的反射

4．2．2 信号的串扰

4．3 高速电路的新型设计方法

4．4 仿真模型和仿真工具介绍

4．4．1 器件的仿真模型

4．4．2 仿真工具介绍

4．5 DDR2信号完整性仿真与应用

4．5．1 DDR2信号质量的要求

4．5．2 DDR2差分时钟信号仿真

4．5．3 DDR2数据信号仿真

4．5．4 DDR2地址信号仿真

4．6 本章小结

5 电源完整性

5．1 电源完整性基本理论

5．1．1 电源完整性问题的产生

5．1．2 造成电源不稳定的因素

5．2 典型的电源完整性问题

5．2．1 同步开关噪声

5．2．2 谐振及边缘效应

5．2．3 电源阻抗

5．3 电源完整性仿真工具

5．3．1 Designer简介

5．3．2 Siwave简介

5．4 PCB板电源完整性仿真与应用

5．4．1 系统谐振仿真

5．4．2 同步开关噪声仿真

5．6 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录