基于FPGA的实时视频图像采集与VGA显示系统设计研究

摘要

视频监控是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统，并随着计算机网络以及图像处理技术的飞速发展而广泛应用于军事、医疗、生产等许多场合。本文研究设计了一种基于FPGA（Field Programmable Gate Array，可编程逻辑器件）的实时视频图像采集与VGA（Video Graphics Array，视频图像阵列）显示系统，图像采集和显示速率分别为25帧/秒和60帧/秒，像素为640*480，并给出了不同速率设备通讯的一种处理机制和优化设计目标的方法。
　　实时视频图像采集与VGA显示系统主要包括编码芯片配置、视频图像采集、帧存控制、格式转换和图像显示五个模块。系统的I2C时序采用硬件描述语言通过FPGA实现，无需使用专用的I2C硬件电路，降低了硬件系统的复杂度；此外在快慢速率设备处理上，采用乒乓操作和状态机联合的设计方法，不仅解决了速率匹配问题，而且降低了设计复杂度，优化了设计目标。该系统中的编码芯片配置模块产生i2c（Inter-Integrated Circuit）协议来初始化芯片，视频图像采集模块提取有效视频图像信号，帧存控制模块用于图像数据存储，格式转换模块完成信号格式转换，图像显示模块实现视频图像显示；帧存控制模块给出了不同速率设备通讯的一种处理机制，使采集速率为25帧/秒的慢设备能够满足显示速率为60帧/秒的快设备要求，不仅简化了设计任务，而且优化了设计结果。
　　最后，对系统进行了测试案例仿真、综合以及代码覆盖率分析，结果表明系统时序正常，功能设计正确，资源使用率仅占9％，最高工作速率可达100MHz，且代码覆盖率达到95%，实现了图像采集与显式功能，达到了预期的设计指标。

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第一章 绪论

1.1 论文研究的背景和意义

1.2 国内外研究状况

1.3 论文的研究内容和组织结构

第二章 硬件开发平台与数字视频信号

2.1 FPGA和CPLD

2.2 FPGA开发平台

2.3 FPGA设计流程与方法

2.4 数字视频信号制式

2.5 本章小结

第三章 系统功能模块的设计

3.1 系统整体架构

3.2 视频编码芯片的配置模块设计

3.3 视频图像采集模块与帧存控制模块设计

3.4 格式转换模块和图像显示模块设计

3.5 本章小结

第四章 系统顶层模块设计

4.1 顶层模块设计

4.2 代码覆盖率

4.3 本章小结

第五章 FPGA综合实现

5.1 综合

5.2 布局布线

5.3 后仿真

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

致谢

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