基于FPGA的图像采集系统设计与实现

基于FPGA的图像采集系统设计与实现摘要现在是科技迅速发展的年代，数字图像处理技术在这个年代中得到了迅猛的发展并在各行各业得到了广泛的应用。可编程逻辑器件(FPGA)凭借其较低的开发成本、较高的并行处理速度、较大的灵活性及其较短的开发周期等特点，在图像处理系统中有独特的优势。针对视频图像采集的可靠性和实时性，本设计采用Altera公司生产的CycloneⅡEP2C8Q208C8NK芯片，先由CCD图像传感器采集模拟信号，在经过芯片TVP5150将模拟量转换为标准的YUV4:2:2的数据信号，把数据信号输入到FPGA芯片中并在其中将该数据转换到RGB色域后在输出到ADV7123芯片进行D/A转换，最后经过VGA接口电路把处理过的图像呈现在显示屏上。经过相关的调试工作，系统通用性比较好，并且移动性能也不错。该系统的软件部分采用自顶向下的设计方法，模块化设计思想，硬件语言编程，只修改源程序，不必更改硬件电路，就可实现在线编程，实时控制，从而有效地减少系统的体积，不但增加了系统可靠性，降低研制成本，并且能够对控制逻辑进行修改升级，十分灵活。该系统包括三个功能模块：图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块。关键词：FPGA；TVP5150；RGB色域；ADV7123芯片ImageacquisitionsystembasedonFPGAdesignandimplementationAbstractItistherapiddevelopmentofscienceandtechnology,digitalimageprocessingtechnologyhasbeenrapiddevelopmentinthiseraandhasbeenwidelyusedinallwalksoflife,andthematurityofFPGAtechnologyhaschangedthecommonlyusedparallelcomputerordigitalsignalprocessor(DSP),aspecialintegratedcircuit(ASIC)astheembeddedprocessorusage.Programmablelogicdevice(FPGA)withitslowcost,highparallelprocessingspeed,flexibilityandshortdevelopmentcycleandothercharacteristics,hasitsuniqueadvantagesinimageprocessingsystem.Theprojectdemand,thispaperpresentsasolutionofimageacquisitionandprocessingsystembasedonFPGA,andtheuseoflowcostandhighperformanceofAlteracompany'sCyclonelIseriesFPGAEP2C8Q208C8Nasthecore,designanddevelopmentofintegratedsystemofhardwareandsoftwareofimageacquisitionandprocessing.Inviewofthereliabilityofvideoimageacquisitionandreal-timeperformance,thispaperdescribeshowtoFPGAforvideoacquisitionsystemcontrol.UsingCycloneⅡEP2C8Q208C8NKchipproducedbyAlteracompany,isresponsibleforreceivingandprocessingvideodatafromtheTVP5150decoding,convertsthedataintoRGBcolorgamutintheoutputtotheADV7123chip.Afterdebugging,thesystembettergenerality,andmobileperformanceisalsogood.Keywords：FPGA；TVP5150；RGBcolorgamut；ADV7123chip目录1前言..........................................11.１课题背景与意义...............................11.2研究的现状及特点..............................21.３研究的主要内容...............................22图像采集系统的硬件电路设计....................32.１采集系统硬件的总体设计.......................32.2FPGA核心模块....................................52.3外围电路.....................................62.4图像采集电路....................................72.4.1图像传感器....................................72.4.2A/D转换电路...................................82.5图像显示电路....................................83图像采集系统的软件设计.......................113.1系统的设计环境.............................113.2设计的主要流程..............................123.3设计内部数据量的变换.........................123.3.1IIC数据总线..................................124调试.........................................17参考文献........................................18致谢............................................19附录............................................2011前言1.1课题背景与意义随着多媒体技术在各个应用领域不断普及，用户会不断要求新产品具有更大的图像容量、更高的图像质量和更快的图像处理速度，这为图像的存储和处理提出了更高的要求。在数字图像处理可视电话通信、数字电视等应用中，遇到的首要难题就是数据量过大，导致图像传输和存储成问题。现场可编程门阵列(FPGA),与传统逻辑电路和门阵列相比FPGA具有不同的结构它增强了电路设计的灵活性。不但降低了开发成本，而且也减小了设计风险，并且充分挖掘图像处理算法中的并行性，在较低主频下能获得可观的执行速度。因此，在信号处理方面得到了广泛的应用。FPGA作为系统以及图像采集处理板卡的核心器件，外围器件的电路和功能已经得到尽可能的简化，许多外围的功能器件的接口都不需要单独的接口芯片来完成，均由FPGA来实现.整个系统中仅仅需要FPGA以及FPGA配置芯片、SDRAM、PCI接口芯片三个主要的芯片，整体上看提高了电路的稳定性，而且其先进的开发工具使整个系统的设计调试周期大大缩短。因此FPGA内部逻辑设计就成为图像采集处理系统设计的核心和关键。1.2研究的现状及特点20世纪20年代，图像处理首次得到应用。20世纪60年代中期，随电子计算机的发展得到普遍应用。60年代末，图像处理技术不断完善，逐渐成为一个新兴的学科。利用数字图像处理主要是为了修改图形，改善图像质量，或是从图像中提起有效信息，还有利用数字图像处理可以对图像进行体积压缩，便于传输和保存。数字图像处理主要研究以下内容：傅立叶变换、小波变换等各种图像变换；对图像进行编码和压缩；采用各种方法对图像进行复原和增强；对图像进行分割、描述和识别等。随着技术的发展，数字图像处理主要应用于通讯技术、宇宙探索遥感技术和生物工程等领域。数字图像处理因易于实现非线性处理，处理程序和处理参数可变，故是一项通用性强、精度高、处理方法灵活、信息保存、传送可靠的图像处理技术。主要用于图像变换、量测、模式识别、模拟以及图像产生，并广泛应用在遥感、宇宙观测、影像医学、通信、刑侦及多种工业领域[1]。而在对图像处理这一技术上FPGA具有以下几种特点：(1)：高性能，可以在一片FPGA中完成多种处理功能(2)：灵活性高使产品快速面市，方便产品跟新，满足不断发展的需求(3)：低开发成本并且结构化容易操作(4)：不会过时，其拥有非常广泛的客户基础，而且FPGA可以很容易的从一个工作节点移植到下一个工作节点。21.3研究的主要内容先利用CCD图像传感器采集图像模拟量输入给TVP5150芯片，再利用Altera公司的CyclonelI系列FPGAEP2C8Q208C8N芯片，负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据，将该数据转换到RGB色域后在输出到ADV7123芯片再传输到液晶显示器。在系统设计过程中需要研究以下问题:(1)：制定图像采集系统的整体的设计方案.。(2)：设计图像采集模块，图像处理模块，图像显示模块，和FPGA主控制模块。(3)：程序的编译与仿真，通过对程序的编译与仿真实现了对FPGA芯片控制，将数据转换到RGB色域后输出。系统设计过程中主要通过Quartus9.1的开发环境编译系统的程序，然后使用下载软件将程序下载到单片机运行，通过运行情况修改程序再进行调试。调试的是从单个模块开始，然后进行综合调试至系统功能的实现。32图像采集系统的硬件电路设计2.1采集系统硬件的总体设计如图2-1所示：该系统包括几个功能模块：图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块。其中图像采集模块主要由外接摄像头和TVP5150解码芯片组成，完成视频信号的采集和硬件解码能，并以ITU-656标准输出YUV4：2：2信号；图像处理模块选用的FPGA是Altera公司生产的CycloneⅡEP2C8Q208C8N芯片构成，完成系统控制，视频信号的采集以及后续处理等工作；图像显示模块主要由ADV7123芯片、VGA接口和CRT显示器等组成，主要完成视频信号的数模转换，输出并显示视频信号。图2-1图像采集系统的硬件总体设计在图2-1所示视频图像的采集与处理过程中，FPGA作为整个系统的控制与处理核心，主要是通过该芯片的I/O管脚来控制数据采集芯片TVP5150和高速D/A转换芯片ADV7123，并且负责接受和处理来自TVP5150解码后的视频数据，将该数据转换到RGB色域后输出到ADV7123芯片。实物如图2-2所示：CCD摄像头AD转换及视频解码FPGA解码色域转换控制A/D芯片控制D/A芯片控制VGA输出D/A转换VGA接口CRT显示4图2-2硬件实物2.2FPGA核心模块在充分考虑性价比和设计功能的基础上，决定采用Altera公司CycloneII系列的FPGA，它是Altera公司最新一代SRAMI艺、中等规模的低成本FPGA，与Stratix结构类似，是目前的主流产品。它支持各种单端I/O标准(如LVlvrL、LVCOS、和SSTL.2/3)，通过LVDS和RSDS标准提供多达227个通道的差分I/O支持，LVDS通道高达640Mbps。它具有生成时钟锁相环以及DDR、SDR和快速RAM(FCRAM)存储器所需的专用双数据率(DDR)接口等。它完全支持Altera公司的NiosII处理器，支持通过SOPC(可编程片上系统)软件对这个系列的芯片进行专门优化，使其性能得到进一步提高。其芯片如图2-3所示：5图2-3核心芯片引脚图2.3外围电路外围电路包括多种电路模块例如电源电路模块，晶振电