基于Zynq-7000的购入式数字图像处理系统设计与实现

摘要

随着电子技术、计算机技术和半导体工艺的发展，嵌入式数字图像处理系统在不断提高计算性能的同时，其功能也越加丰富。大量研究表明，采用FPGA实现嵌入式图像处理系统能够获得较高的计算性能。因此从计算性能的角度考虑，FPGA是嵌入式图像处理应用的理想选择方案。但是功能完善的嵌入式图像处理系统除了提供必要的图像处理功能，还可能需要提供图像采集、图像显示、网络通信、数据存储、人机交互等其它附加功能。这将使传统的FPGA图像处理方案在系统结构升级、设计方法和成本控制等环节上面临挑战。　　Xilinx公司推出的Zynq-7000系列产品集成了最新工艺的ARM处理器和FPGA可编程逻辑器件。作为新一代的可编程片上系统，Zynq-7000提供了“ARM+FPGA”单片解决方案，非常适合计算密集、功能丰富的嵌入式应用设计。采用Zynq-7000实现的嵌入式图像处理系统，既能够通过FPGA获得较高的计算性能，又能够依靠ARM处理器提供完善的应用功能。　　本文研究了基于Zynq-7000的嵌入式数字图像处理系统的设计方案和实现方法。采用Verilog硬件描述语言设计了VGA图像显示驱动模块，在Vivado开发环境中利用HLS工具进行了图像处理实验，进行了UBUNTU操作系统移植，完成了整个系统的建立与测试工作。围绕嵌入式数字图像处理系统的建立与测试，本文主要研究了以下内容。　　(1)Zynq-7000片上系统的结构特点、设计优势及图像处理应用;　　(2)采用Zynq-7000实现嵌入式图像处理系统的方法;　　(3)图像采集和图像显示在Zynq-7000上的实现;　　(4)若干图像处理方法及其在Zynq-7000上的实现;　　(5)嵌入式图像处理系统的硬件平台集成;　　(6)应用层控制软件的设计;　　(7)相关设计工具（Vivado、SDK、HLS等）的使用方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究发展

1．3 研究内容及主要工作

1．4 论文章节安排

第二章 Zynq-7000图像处理应用

2．1 Zynq-7000概述

2．1．1 Zynq-7000片上系统

2．1．2 Zynq-7000体系结构

2．1．3 Zynq-7000片上资源

2．2 Zynq-7000设计优势

2．2．1 设计工具

2．2．2 硬件加速

2．2．3 动态重构技术

2．2．4 高层次设计

2．3 Zynq-7000图像处理应用

第三章 系统总体方案

3．1 系统总体结构

3．1．1 硬件结构框图

3．1．2 软件结构框图

3．2 总体方案实现

3．2．1 图像采集与显示

3．2．2 图像处理

3．2．3 硬件平台集成

3．2．4 嵌入式软件设计

第四章 数字图像采集与显示

4．1 ZYBO板卡介绍

4．1．1 Z-7010器件

4．1．2 电源电路

4．1．3 时钟电路

4．1．4 DDR3存储电路

4．2 图像采集模块

4．2．1 USB方案实现及特点

4．2．2 USB摄像头技术参数

4．3 图像显示模块

4．3．1 VGA接口定义

4．3．2 VGA数模转换

4．3．3 VGA时序驱动

4．3．4 VGA功能及时序仿真

第五章 数字图像处理方法实现

5．1 HLS简介

5．2 HLS设计流程

5．2．1 建立HLS工程

5．2．2 运行C仿真

5．2．3 代码调试

5．2．4 综合设计

5．2．5 优化设计

5．2．6 运行C／RTL联合仿真

5．2．7 观察仿真结果

5．2．8 导出RTL实现

5．2．9 系统集成

5．2 数字图像处理方法

5．2．1 Sobel边缘检测

5．2．2 YUV-RGB转换

5．2．3 膨胀与腐蚀

5．2．4 高斯平滑滤波器

5．3 数字图像处理实现

5．3．1 Sobel边缘检测的实现

5．3．2 YUV-RGB转换的实现

5．3．3 膨胀与腐蚀的实现

5．3．4 高斯平滑滤波器的实现

第六章 硬件平台集成

6．1 硬件平台集成流程图

6．2 关键组件和技术

6．2．1 Vivado集成开发环境

6．2．2 VDMA组件

6．2．3 动态重构技术

6．3 图像处理系统集成

6．3．1 建立Vivado工程

6．3．2 综合设计

6．3．3 实现设计

6．3．4 编译报告

第七章 嵌入式软件设计

7．1 嵌入式开发及运行环境

7．1．1 主机系统

7．1．2 交叉编译工具

7．1．3 U-Boot移植

7．1．4 嵌入式Linlux移植

7．1．5 设备树移植

7．1．6 补充说明

7．2 硬件平台BSP建立

7．2．1 导出硬件设计

7．2．2 建立BSP应用工程

7．2．3 生成BSP镜像

7．3 嵌入式软件设计

7．3．1 工具库

7．3．2 嵌入式软件设计

7．4 图像处理系统测试

7．4．1 测试环境搭建

7．4．2 测试结果及分析

第八章 总结与展望

8．1 工作总结

8．2 工作展望

参考文献

附录

致谢

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