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1、大连东软信息学院毕业设计（论文） Abstract大连东软信息学院本科毕业设计（论文）论文题目：基于FPGA的图像采集模块设计与实现系 所： 电子工程系 专 业：电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲师 完成日期： 2014年 4月 28日 大连东软信息学院Dalian Neusoft University of InformationII基于FPGA的图像采集模块设计与实现摘 要随着FPGA的集成度越来越高，FPGA的应用领域在不断扩大，FPGA的速度优势使其在一些要求高速处理的地方大显身手，这其中就包括高速视频的实时采集与处理。视频信号处
2、理系统的前端部分是视频图像实时采集，现在向高分辨率、高速、高可靠性、高集成化方向前进。图像实时采集系统在当今医学、军事、工业各个领域都具有非常广泛的应用。 本文利用FPGA设计了一个实时视频采集与显示系统。将数字图像采集功能集成在一块电路板上。此板的设计目的是对数字图像做实时存储、显示以及采集，应用在需要实时性很高但不需要很高图像质量的环境下。设计中在电路板上提供了VGA接口，应用的时仅需要将具有VGA接口的视频监视器或显示器直接接到单板上即可，而且电路板的功耗很小，系统有很广泛的应用环境，对于图像系统的普及应用也有极大的帮助。本设计采用的FPGA是altera公司的EP2C5T144，利用其
3、内部的memory资源定制了一块12864，位宽为8bits的双口RAM当做显存，FPGA实时采集数字摄像头的视频数据并依次存入RAM中，同时FPGA产生VGA时序，将RAM中的视频数据送到VGA显示器实时显示出来。关键词：图像采集，FPGA，VGA显示器，摄像头Design and Achieve of Picture Collecting Module Based on FPGAAbstractWith the higher and higher integration of FPGA, its applications become stronger. The highly speed
4、of FPGA become more useful in some places where require highly processing, including the high speed real-time acquisition of video and processing. The front part of the video signal processing system is a real-time video image acquisition, it will become high resolution, high speed, high reliability
5、, high integration direction in the future. The real-time image acquisition system has a massive applications market in the medical, military and industrial fields. In this thesis, I have designed a real-time video acquisition and display system based on FPGA, integrating the digital image collectin
6、g function on a circuit board. This board is designed to save the digital image at the real-time, display and collect, then use them to some places where need highly real-time character instead of highly image quality environment. The system provides VGA interface, the application will be only need
7、VGA interface of video monitor or display directly to the veneer. The power consumption of the circuit board is very low and it has a wide range of application. For image system, it becomes great helpful to popularize and apply. The FPGA of this design is EP2C5T144 of Altera company, to use the inte
8、r memory resources to customize a piece of 12864, a width of 8 bits of dual port RAM as a memory. FPGA collects video data using the digital camera, save them in RAM and produce VGA timing at the same time, then send the video data which was saved in RAM to VGA display.Key words: Image acquisition,
9、FPGA, VGA monitor, cameraIV目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1课题研究背景与意义21.2 课题研究内容与方法21.3课题研究现状21.4本论文主要工作3第2章关键技术介绍32.1 FPGA简介32.2 硬件描述语言 verilog-HDL32.3 Quartus II5第3章系统需求分析63.1 系统设计目标63.2 系统功能需求63.3 系统开发环境73.4 系统可行性分析7第4章 系统设计84.1 FPGA最小系统设计84. 2 视频采集模块设计114.2.1 CMOS原理114.2.2 CMOS数字图像传感器基本原理124.2.3 CMOS
10、图像传感器的特性12 4.2.4 OV7620简介134.2.5 OV7620同步信号164.2.6 OV7620的硬件电路设计174.2.7 OV7620的Verilog驱动程序设计184.3 VGA模块设计194.3.1 VGA介绍194.3.2 VGA硬件电路设计234.3.3 VGA的Verilog控制模块设计23第5章系统实现265.1环境配置265.2功能模块实现26第6章硬件调试32第7章结论34参考文献35致 谢36附录A FPGA最小系统电路37附录B 外围电路38大连东软信息学院毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1课题研究背景与意义视频信号处理系统的前端部分是视频图像实时采
11、集，现在向高分辨率、高速、高可靠性、高集成化方向前进。图像实时采集系统在当今医学、军事、工业各个领域都具有非常广泛的应用，如使用在安防、医疗器械、远程监控、图像模式识别、视频电话、工业控制、远程抄表等各种领域都有着非常广泛的使用。在二十一世纪以前，国内的图像采集和处理系统大多随着海外跨国企业集团的生产线走进国内。现在国内科技的快速发展以及工业上自动化的要求不断的提高，历经多年的发展，目前国内许多自动化设备制造商将图像采集和图像处理技术用于视觉测试、视频控制机器人、确定并定位零件等各个领域的产品设计来提高功能及性能，改善产品和加工质量。即使市场上涌现出了多种图像采集处理器或者图像采集处理系统，但
12、如果需要将图像采集和图像处理系统广泛应用到各行各业的实际应用中，还具有较大的困难，主要有这几方面的原因：第一是图像采集处理系统非常难有重复精度，分割过程是不一致的，提取图像的特征如物体外表属性和光照环境是不固定的；第二是处理时间过长，处理阶段边缘的软件检查测试要求多个模板与其所在的二维图像数据进行卷积，解释阶段非完美的分离场景数据到其模型的匹配的复杂度也许是特征数量几何级函数；第三大多数图像采集和图像处理系统的功能有限，不能非常好的应用到各个领域之中；第四是采集处理系统仍然是非常昂贵的，即使回收期通常比较短暂，这依然阻碍了新技术被人们广泛的接收；最后购买一个现成完整的系统是难的，绝大多数应用要
13、求高应用程度的专业软件开发和环境工程。随着计算机、多媒体和数据通信技术的高速发展，数字图像实时采集与处理在科学研究、工农业生产、医疗卫生等部门得到越来越广泛的应用。同时，具有图像功能的嵌入式应用也随之增多，从数码照相机、视频电话、多功能移动智能电话等数码产品到数字视频监视、门禁等工业控制以及安全防卫产品。实时图像采集需要进行实时同步信号的处理，要比平常意义上的数据采集过程复杂很多，电路的设计与实现也比较困难。传统意义上的PC上的图像采集模块都是在 Philips等半导体设计制造公司提供的接口芯片的基础上，由专业的公司开发以及生产。近些年来，随着实时图像视频传输协议不断的开放，开发及研究人员对特
14、殊应用领域的定制开发图像采集模块已变得可行。 基于FPGA可编程器件的可编程特性，利用硬件逻辑电路实现图像识别的软件算法，极大地提高了图像识别速度，可以使图像识别速度达到ms级（受限于摄像头的视频数据采集速度及图像大小），从而满足高速装配线或是其它场合高速图像识别的需求。1.2 课题研究内容与方法本文要讨论的内容就是将数字图像采集功能集成在一块电路板上。此集成电路板的设计目的是对数字图像做采集、显示以及存储，应用在需要实时性很高但是不需要很高图像质量的环境下。设计中在电路板上提供了VGA接口，使用时只需将带有VGA接口的视频监视器或显示器直接接到电路板上即可，并且电路板的功耗很小，系统有很广泛的应用环境，对于图像系统的普及应用也有极大的帮助。1.3课题研究现状现代化生产和科学研究对实时视频图像采集模块的要求日益增加。传统上的图像采集卡速度缓慢、处理功能单一、采用分立元器件、电路复杂；并且可靠性差、不方便调试、不能满足特殊的需求。专用集成电路中集成度最高的一种是FPGA（现场可编程门阵列），用户可以对FPGA的I/O模块和内部逻辑模块进行重新配置，用来实现用户们所需逻辑功能。使用者用FPGA的编程数据放入芯片，上电并加载到FPGA里，并对它进行
