基于FPGA嵌入式图像采集卡的研究

摘要

视频采集与图像处理技术无论在监控领域还是在科研领域都有着极其广泛的应用。传统的视频采集技术采用DSP作为整个系统的控制器,其设计会导致采样的效率降低。近年来,随着应用需求的多样化,对图像质量、实时性要求的提高,高速度、高精度的视频采集系统急需研发。
　　本文结合FPGA处理速度快、内部逻辑资源丰富、可靠性强等诸多优点,设计了多功能图像采集系统的采集模块和传输模块。该系统包括4个模块:采集模块、存储模块、传输模块、显示模块。在采集模块中采用了TI公司的 TVP5150视频图像解码芯片,用来对 CCD图像传感器输出的复合模拟视频信号进行解码处理。通过FPGA控制I2C总线对 TVP5150内部的寄存器进行配置,实现模拟图像的数字化。同时为了满足当前电子设备的数字输出接口需求,采取了基于Camera Link接口的数字视频接口的解决措施。存储芯片采用两片SRAM来对数据进行乒乓缓存。
　　文中为系统与计算机之间信息的传输设计了PCI、RS422两种接口。PCI接口的实现使用了美国PLX公司的PCI总线接口芯片PCI9054,采用FPGA对其进行逻辑控制,实现了高速、精确的数据传输。RS422总线采用了高速的差分数据总线模式,满足了中低速图像采集方面的应用需求。最后,图像数据经过总线进入到计算机里进行显示。
　　在系统设计完成后,使用 Modelsim仿真软件和示波器对系统的部分模块进行了调试和仿真,较完整的实现了预期的功能,证明了系统的可行性。该系统具有的多种输入输出接口模式、高速的数据传输速率,为工业应用以及科研工作提供了极大的便利,在对嵌入式图像采集处理研究领域具有一定的参考价值。

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1.绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究的内容

2.视频采集系统基础理论

2.1视频原理概述

2.2电视制式

2.3.颜色空间模型

2.4 ITU-R BT.656 标准格式

2.5本章小结

3.视频采集系统模块元件极其功能

3.1解码芯片TVP5150概述

3.2 I2C总线原理

3.3控制芯片FPGA概述

3.4存储芯片SRAM概述

3.5 Camera Link接口介绍

3.6 PCI接口概述

3.7 RS422接口概述

3.8本章小结

4.视频采集系统的硬件设计

4.1 系统总体方案

4.2 采集模块设计

4.3存储模块电路设计

4.4 输出模块设计

4.5 FPGA配置电路设计

4.6 电源模块设计

4.7本章小结

5.视频采集系统的软件设计

5.1模拟视频采集模块逻辑设计

5.2 Camera Link接口模块逻辑设计

5.3 SRAM时序控制设计

5.4 PCI接口逻辑设计

5.5本章小结

6.系统调试与分析

6.1软硬件调试

6.2调试结果

6.3本章小结

7.总结和展望

7.1本文主要工作

7.2课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢