基于ARMv8架构的高速图像采集系统设计

摘要

近年来，图像传感器朝着高分辨率、高帧率的方向发展，因此对获取和存储图像的采集系统提出了更高的要求。现有图像采集系统大多是基于计算机的图像采集卡，此类系统体积大，携带不便。针对以上问题，本文设计并实现一款便携式高速图像采集系统，并完成系统的功能测试与性能测试。 本系统采用基于ARMv8架构的进阶精简指令集处理器（Advanced RISC Machine，ARM）芯片作为主处理器，ARM芯片具有强大的运算和外设接口扩展能力，用于实现图像的接收、显示与存储；采用现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）作为协处理器，强大的并行处理能力能够处理高速图像信号，其内部集成的高速IO管脚可对图像输入接口进行灵活化定制。本文具体工作内容如下。 1.提出系统整体设计方案，包括系统硬件与软件的设计方案。通过对不同的图像采集系统设计架构进行比较，综合考量功耗、性能与可扩展性等，最终采用优势明显的ARM+FPGA架构作为本系统设计架构。结合设计目的与设计架构提出具体的功能要求与技术指标，据此对系统主要器件进行选型。在进行具体功能模块设计之前，对系统总体的设计方案进行规划。硬件设计依照可靠性设计原则搭建出稳定、高效的硬件平台。软件设计遵循高内聚低耦合的模块化设计思想，对系统功能模块进行清晰地划分，设计出逻辑合理、功能完善的软件总体框架。 2.设计图像采集系统软件，包括接口驱动、数据传输协议、嵌入式软件与上位机软件。结合系统设计方案与图像数据量较大的特点，采用USB3.0接口作为FPGA与ARM之间的数据接口，并在此基础上设计上层数据传输协议。该协议有效地解决了系统不能自适应不同分辨率相机的问题，同时兼顾系统适应性与传输效率。根据系统对外设接口的使用需求，设计接口驱动，包括用于按键的通用输入/输出（General Purpose Input Output，GPIO）驱动和用于图像数据传输的USB3.0驱动。根据软件设计方案，设计嵌入式软件，实现系统各模块的功能。同时，设计一套简单实用的上位机软件，用于系统控制和数据导出。 3.针对ARMv8架构的特点与Linux内存管理机制，对系统数据传输进行加速，并且在系统功耗、图像显示效果方面对系统进行优化。通过分析系统中数据流向，并测试各环节带宽限制，最终找出系统数据传输的速度瓶颈。据此提出一种基于单指令多数据流（Single Instruction Multiple Data，SIMD）指令架构的数据拷贝加速方法，提高系统数据拷贝速度。利用中央处理器频率调节（Central Processing Unit frequency，CPUFreq）技术动态调节处理器频率，达到优化功耗的目的。针对系统使用场景中高位红外图像显示效果不佳的问题，提出一种基于色调映射的高位红外图像映射算法，将红外图像映射为伪彩色图像进行显示，从而改善高位红外图像的显示效果。 4.围绕功能要求与技术指标，制定完善的测试方案，完成系统的功能和性能测试，同时验证系统加速与优化是否有改善效果。最后对系统整机测试，确保系统能够稳定的运行。大量测试结果表明，本文研制的图像采集系统能够实现图像数据的采集、存储、显示、回放以及外设管理等功能，采集带宽达到150MB/s，工作温度范围为-40℃到65℃。系统具有易携带、可靠性高、功耗低、对相机适配范围广等优点，达到了设计预期效果。

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ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文结构安排

第二章 图像采集系统总体设计方案

2.1 系统设计原则

2.2 系统功能要求及技术指标

2.2.1 系统功能要求

2.2.2 系统技术指标

2.3 器件选型

2.3.1 ARM芯片选型

2.3.2 FPGA芯片选型

2.4 系统工作流程

2.5 系统总体设计方案

2.5.1 系统硬件设计

2.5.2 系统软件设计

2.6 本章小结

第三章 图像采集系统软件设计

3.1 系统驱动设计

3.1.1 按键驱动设计

3.1.2 USB3.0驱动设计

3.2 数据传输协议设计

3.3 嵌入式软件设计

3.3.1 初始化模块

3.3.2 采集与存储模块

3.3.3 传输模块

3.3.4 OLED控制模块

3.4 上位机软件设计

3.5 本章小结

第四章 图像采集系统加速与优化

4.1 系统内存拷贝加速

4.1.1 系统数据流向

4.1.2 系统带宽瓶颈分析

4.1.3 基于NEON指令的数据拷贝方法

4.2 基于CPUFreq的系统功耗优化

4.3 高位红外图像伪彩色显示

4.3.1 高位红外图像伪彩色算法

4.3.2 算法实现与优化

4.4 本章小结

第五章 系统测试结果及分析

5.1 系统功能测试

5.1.1 采集与存储功能测试

5.1.2 显示功能测试

5.1.3 上位机功能测试

5.2 系统性能测试

5.2.1 系统数据带宽测试

5.2.2 系统功耗测试

5.2.3 系统工作温度范围测试

5.3 系统整机测试

5.4 本章小节

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 申请（授权）专利

3.2 参与科研项目及获奖