高帧高清CMOS工业摄像机设计与实现

摘要

高帧频、高分辨率图像在生产生活、科学研究以及国防军事等多种领域有着越来越多的需求。相较于一些国家，我国的研究相对滞后，进行高帧高清工业摄像机的研制具有很大的学术价值和使用价值。
　　本文基于FPGA、DDR2内存芯片和USB3.0技术，提出了一种高帧高清工业摄像机设计方案，从高性能传感器应用、海量数据存储、高速数据传输等方面完成了系统设计。摄像机由图像采集、图像存储、图像传输、图像显示四个模块组成，前三部分构成了摄像机的下位机，图像显示模块构成了上位机。下位机硬件设计采用了模块化设计思想。图像采集模块选用Altera公司的CycloneⅢ系列FPGA作为主控器，选用Cmosis公司的高性能CMOS图像传感器作为核心感光元件;图像存储模块选用Micron公司的DDR2芯片构建存储阵列;图像传输模块选用Cypress公司的USB3.0芯片构建传输通道。系统软件设计主要包括了下位机FPGA逻辑设计及上位机程序设计。FPGA逻辑设计采用Verilog HDL语言实现了各硬件模块的驱动时序以及模块间的握手控制，完成整个下位机数据流的正确传递;在FPGA内部开辟两块双口RAM，对其乒乓读写操作，解决了传感器高速流水式串行数据接收的难题;采用Slave FIFO模式完成了对USB3.0通道的控制。上位机程序基于MFC图形界面库及Cypress API设计，采用C++语言编程，使用了多线程、内存映射技术，实现了图像显示、存储、回放、保存等功能。高帧高清工业摄像机涉及到复杂的软硬件设计及调试工作，所需知识庞杂，本文最后部分给出了常见硬件电路排错、软件系统调试以及软硬件联调的方法。测试结果表明，系统能够实现分辨率2048*2048、帧率180fps或者分辨率2048*1024、帧率360fps的高速图像采集，具有很强应用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 课题的国内外研究动态

1．3 本文主要工作及内容安排

2 系统总体设计

2．1 摄像机结构

2．2 系统性能指标分析

2．3 系统器件选型

2．3．1 传感器

2．3．2 系统主控器

2．3．3 存储芯片

2．3．4 传输通道

2．4 系统工作流程

3 系统硬件设计

3．1 硬件总体设计

3．2 传感器板设计

3．2．1 CMV4000电路设计

3．2．2 传感器板电源设计

3．3 主控板设计

3．3．1 主控板电源设计

3．3．2 浪涌电流处理

3．3．3 静电保护设计

3．3．4 FX3时钟电路设计

3．3．5 FX3配置电路设计

3．4 存储阵列板设计

3．4．1 存储位宽扩展

3．4．2 信号完整性设计

3．5 板间数据接口设计

3．6 PCB设计注意事项

3．6．1 DDR2阵列布线

3．6．2 FX3芯片布线

3．6．3 CMV4000布线

4 FPGA逻辑设计

4．1 系统整体逻辑设计

4．2 主控系统逻辑设计

4．2．1 命令译码与SPI配置时序

4．2．2 控制通道帧同步时序

4．2．3 传感器驱动及帧计数时序

4．2．4 主从通信与USB收发控制时序

4．3 CMV4000逻辑设计

4．3．1 输出通道与输出模式

4．3．2 传感器配置与曝光模式选择

4．3．3 DUTCTR通道字节对齐

4．4 存储阵列逻辑设计

4．4．1 存储阵列工作时序

4．4．2 DDR2芯片关键概念

4．4．3 DDR2阵列流水式读写设计

4．4．4 DDR2突发读写时序

4．4．5 自动刷新方式选择

4．5 传输通道逻辑设计

4．5．1 FX3芯片模式选择

4．5．2 套接字与读写标志

4．5．3 Slave FIFO时序

5 上位机程序设计

5．1 上位机界面设计

5．2 USB3．0数据读写

5．3 多线程编程

5．4 内存映射应用

5．5 DrawLib函数分析

5．6 位图结构分析

6 系统测试

6．1 系统调试过程

6．1．1 硬件调试过程

6．1．2 软件调试过程

6．2 系统测试结果

结论

参考文献

攻渎硕士学位期间发表学术论文情况

致谢