基于FPGA和DSP的图像多功能卡的设计与实现

摘要

图像处理作为一种重要的现代技术，已经在通信、航天航空、遥感遥测、生物医学、军事、信息安全等领域得到广泛的应用。图像处理特别是高分辨率图像实时处理的实现技术对相关领域的发展具有深远意义。 本课题的主要内容是设计一种基于PCI总线，以FPGA为系统控制核心、TMS320DM642为CPU的可实时采集高分辨率视频并进行高速处理的图像处理系统。主要从系统级别上描述了一种高分辨率图像处理卡的系统实现方案，重点研究了该视频图像处理卡中视频采集、图像增强和视频数据传输。 本文首先介绍了本设计的背景和意义，提出本次设计的目标：基于FPGA和DSP的图像多功能卡的设计。然后简要的介绍了本设计用到的图像处理算法：图像的预处理算法，分别介绍了图像的去噪、锐化、色彩校正、γ校正和RGB到YUV的转换。 图像采集系统的基本构成，是以数字信号处理器为核心，控制外围的A/D、D/A转换器和外围存储器。本文对比了当下流行的DSP芯片和FPGA芯片作为数字处理核心的优缺点，并根据系统实际需要，选用FPGA和DSP作为数字信号处理器；然后从单片容量，时钟，体积，控制复杂度几方面综合考虑，选用SDRAM作为外围存储器；最后给出了系统的整体设计方案。 图像多功能卡的硬件设计主要分为输入输出电路设计、FPGA外围电路设计和DSP外围电路设计。先对各主要芯片进行了简要的介绍，然后分别给出了各部分电路的具体连接。 图像多功能卡的程序设计是本文的重点。本课题的程序设计包括FPGA内部程序和DSP内部程序。FPGA的程序设计主要包括：AD采集控制模块、SDRAM读写控制模块、图像处理模块以及系统的控制模块；DSP的程序设计主要是完成T<'2>C配置、数据通过PCI口传输到上位机等功能。 最后介绍了硬件调试和FPGA程序的验证结果。实验结果表明，作者设计的系统达到了图像的增强、压缩的功能，在不压缩的情况下，能够对图像实时的处理，并且本系统实现了分辨率和刷新率的自动识别。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章引言

1.1课题研究的背景、目标和意义

1.2本文研究的主要内容和结构

1.3作者的主要工作

第二章图像处理原理

2.1图像的介绍

2.2图像的增强

2.2.1灰度变换

2.2.2高斯—拉普拉斯(LOG)算子

2.3图像的RGB到YUV的转换

2.3.1色彩空间概述

2.3.2 RGB与YUV之间的转换

2.3.3 YUV部分取样

2.4本章小结

第三章图像多功能卡的系统方案设计

3.1图像处理系统的方案介绍

3.1.1一般图像处理系统的体系结构

3.1.2数字信号处理器的选择

3.1.3存储器的选择方案

3.2图像多功能卡的方案介绍

3.2.1图像多功能卡的总体方案

3.2.2系统工作流程

3.3本章小结

第四章图像多功能卡的硬件设计

4.1系统主要芯片介绍

4.1.1 AD9888简介

4.1.2 ADV7123简介

4.1.3存储器芯片简介

4.1.4 FPGA芯片简介

4.1.5 DSP芯片简介

4.2系统电路设计

4.2.1辅助器件硬件设计

4.2.2输入输出电路设计与实现

4.2.3 FPGA外围电路的设计

4.2.4 DSP外围电路的设计

4.3本章小结

第五章FPGA内部功能模块的设计与实现

5.1 FPGA内部工作流程

5.2 FPGA内部模块总体结构

5.3时钟模块的设计

5.4 AD采集控制模块的设计

5.5图像处理模块的设计

5.6 SDRAM读写控制模块的设计

5.6.1 SDRAM操作命令

5.6.2 SDRAM的初始化

5.6.3 SDRAM的读写

5.7系统其它控制模块的设计

5.8本章总结

第六章DSP的模块设计和开发

6.1 DSP系统流程说明

6.2通过EMIF读取数据

6.2.1 EMIF接口概述

6.2.2 EMIF的寄存器

6.2.3通过EMIF实现外部数据的存取

6.3 I2C的配置

6.3.1 I2C总线介绍

6.3.2 I2C总线术语的定义

6.3.3 I2C总线特性

6.3.4 I2C配置的设计实现

6.4 PCI接口

6.4.1 DM642的PCI口概述

6.4.2 PCI的寄存器

6.4.3 PCI总线在DM642中的实现

6.5本章小结

第七章系统调试与分析

7.1硬件调试

7.2软件调试

7.3调试过程中遇到的问题和解决方法

7.4系统调试结果

第八章总结与展望

参考文献

致谢

附录

个人简历、研究工作及论文发表