基于FPGA的实时图像处理系统设计与研究

摘要

本文设计了一种基于FPGA的图像处理系统，设计以Altera Stratix系列的高性能器件FPGA为核心器件，以高读写速率、大容量的DDR3 SDRAM为外部存储器，以千兆以太网为数据传输方式。系统主要包含了图像采集电路、图像数据存储电路、FPGA外围电路、千兆以太网数据传输接口电路以及上位机等部分。
　　硬件部分主要研究了FPGA外围电路设计、CameraLink图像采集电路设计、DDR3与FLASH存储器电路设计、千兆以太网接口电路设计等。本文中还研究和设计了基于Verilog语言的Sobel算子边缘检测算法，用来识别烟叶中的烟梗，算法的实现主要包括图像数据的采集模块、图像数据传输与预存模块以及Sobel算子运算模块等。最后给出综合软件测试，将设计的边缘检测算法对采集的烟叶图像进行烟梗识别，在测试中调节阈值将烟梗识别出来，实验结果表明此算法达到了识别出烟梗的目的。
　　除此之外，为了保证系统硬件的稳定，研究了SI与PI理论，并在研究理论基础之上使用Allegro PCB SI软件对DDR3 SDRAM的关键信号进行了SI仿真，并将分析结果应用在PCB设计中。对系统电源部分，使用Ansoft的Siwave和Designer软件对FPGA与DDR3的开关同步噪声SSN仿真，以及对系统电源进行了谐振仿真，最终将仿真分析结果应用于PCB实际设计中。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 论文组织结构

2 系统总体设计

2．1 典型系统硬件平台介绍

2．2 本文系统总体设计方案

2．3 图像传感器介绍

2．4 核心器件FPGA介绍

2．4．1 FPGA基本结构

2．4．2 FPGA时钟网络

2．4．3 FPGA的I／O口与电平标准

2．5 本章小结

3 系统硬件设计

3．1 系统电源设计

3．1．1 系统整体功耗分析

3．1．2 系统电源电路设计规划

3．1．3 电源模块电路设计

3．2 FPGA配置电路设计

3．3 FPGA时钟电路设计

3．4 图像数据采集电路设计

3．4．1 CameraLink图像采集接口电路设计

3．5 外部存储器模块电路设计

3．5．1 FLASH存储器接口电路设计

3．5．2 DDR3存储器接口电路设计

3．6 千兆以太网接口电路设计

3．6．1 千兆以太网接口设计方案

3．6．2 接口电路设计

3．7 系统PCB设计

3．8 本章小结

4 信号完整性与电源完整性

4．1 信号完整性

4．1．1 高速信号与低速信号

4．1．2 SI问题分类及解决方法

4．1．3 高速PCB设计流程

4．1．4 仿真工具及仿真模型介绍

4．1．5 DDR3 SI仿真与应用

4．2 电源完整性

4．2．1 电源噪声来源与解决方法

4．2．2 系统谐振仿真

4．2．3 同步开关噪声SSN仿真

4．3 本章小结

5 边缘检测算法研究与硬件实现

5．1 边缘检测算法介绍

5．2 sobel算子边缘检测算法实现

5．3 仿真验证

5．4 综合软件测试

5．5 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献