基于FPGA的双绞线图像检测系统研究

摘要

随着互联网的迅猛发展，人们需要更多的网线并要求其有更高的传输速度，而更高的速度将导致双绞线内部的串扰显著增加。因此，为了能在网线生产过程中将串扰维持在一定的范围内，便需要快速准确地测量双绞线的绕距值。鉴于软件平台在处理速度方面的不足，导致其无法满足真实生产环境下对实时性的要求，因此采用硬件平台来实现图像检测算法逐渐成为当前的研究热点。目前，现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)技术凭借其处理速度快、单位成本低、运行功耗低等优点，使得人们广泛地采用该技术处理数据量巨大的图像检测算法。本文研究一种基于 FPGA的实时图像检测系统，结合FPGA的特点对原始的图像检测算法进行分析和改进，运用模块化设计思想和流水线技术，从而大幅度增加图像检测系统的实时处理能力。主要工作如下：
　　（1）通过对比现有图像检测系统的实现方案，并参考FPGA在图像检测方面的研究现状与趋势，决定采用FPGA平台构建检测试验系统用以模拟实际的双绞线生产环境，从而方便图像检测系统的实现与验证。
　　（2）使用Verilog HDL语言实现摄像头初始化模块、图像数据采集模块、Bayer阵列恢复与灰度化模块、SDRAM控制器、绕距检测模块、UART发送模块、VGA显示模块，并通过Modelsim进行功能仿真后再在硬件平台上进行验证，表明本文提出的系统具有可靠性强、实时性好等特点。
　　（3）详细讨论并改进了Canny边缘检测算法在FPGA上的实现，主要包括去噪算法和梯度方向角计算方法的改进，使本系统能够实时地、精确地检测出双绞线的边缘。接着利用得到的边缘图像通过比例尺转换得到绕距值，并计算该值与实测值之间的绝对误差。
　　（4）使用Java语言设计并实现了一款上位机监控软件，该监控软件不断地接收来自图像检测系统中计算所得的绕距值，并实时地以直观的折线图方式显示于屏幕上，同时将绕距数据存入数据库中保存。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 现有图像检测系统平台的对比

1.3 FPGA图像检测技术的优势

1.4 国内外研究现状与趋势

1.5 本文主要工作和内容安排

2 基于FPGA的双绞线图像检测系统总体设计

2.1 检测系统的总体结构

2.2 系统硬件平台

2.3 检测试验平台的设计

2.4 Verilog HDL语言及其开发系统简介

2.5 本章小结

3 FPGA双绞线图像检测系统的实现

3.1 摄像头初始化模块

3.2 图像数据采集模块

3.3 Bayer阵列恢复与灰度化模块

3.4 SDRAM控制器

3.5 UART串口发送模块

3.6 VGA显示模块

3.7 本章小结

4 双绞线图像的边缘检测及绕距计算

4.1 Canny边缘检测算法的原理

4.2 Canny边缘检测算法的FPGA设计

4.3 双绞线绕距计算

4.4 本章小结

5 双绞线绕距上位机监控软件的设计与实现

5.1 上位机监控软件功能设计

5.2 上位机接收数据测试

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

在学研究成果

致谢