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1、四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书1基于 FPGA 的图像采集系统设计前言 随着科技社会的发展,图像采集系统在日常生活、工业生产、国家安全等众多领域得到广泛的应用,具有广阔的应用前景和研究价值。采用 FPGA 进行设计的图像采集系统有良好的扩展性能和相对稳定的硬件结构。主要工作如下: 1)分析图像采集和图像处理的原理和特点,设计硬件电路的原理图,完成系统 PCB 板图的设计。 2)针对 FPGA进行内部功能模块的划分,使用 Verilog HDL 硬件描述语言进行设计。 3)利用 SOPC Builder 完成 NIOS 处理器软核及其外设的创建和配置。 4)根据 FPGA 内部硬件电路
2、的特点,选择适合 FPGA 的算法,并对算法进行优化。 5)在 NIOS II IDE 环境下用 Verilog HDL 语言编写图像传感器控制、图像采集、SRAM 读写控制、图像显示等程序,实现完整的图像采集系统功能。 1 课题分析1.1 选题背景（含国内外相关研究综述及评价）与意义EDA 技术的发展和应用普及性越来越高，已经涉及到现代电子产品设计的各个系统、各个领域中。之所以有这样的广泛应用，主要得益于可编程逻辑器件的长足发展和日益成熟，可编程逻辑器件（Programmable Logic Device, PLD）是一种半定制集成电路，在其内部集成了大量的门和触发器等基本逻辑单元电路，通过
3、用户编程来改变 PLD内部电路的逻辑关系或连线，从而得到所需要的电路设计功能。这种新型逻辑器件，不仅速度快、集成度高，能够完成用户定义的逻辑功能，还可以加密和重新定义编程，其允许编程次数可以达到上万次。可编程逻辑器件的出现，大大改变了传统数字系统设计方法，简化了硬件系统、降低成本、提高系统的可靠性、灵活性。因此，自 20 世纪 70 年代问世以后，PLD 受到广大工程师的青睐，被广泛应用于工业控制、通信设备、仪器仪表和医疗电子仪器等众多领域，为 EDA 技术开创了广阔的发展空间。VGA 作为一种标准的显示接口，在视频和计算机领域得到了广泛的应用。VGA 图像信号发生器是电视台、电视机生产企业、
4、电视维修人员常用的仪器，其主要功能就是产生标准的图像测试信号。对 VGA 而言，其主要应用在工业控制领域，通过 VGA 接口实现将信息、图像、文字等内容显示各种 VGA 显示器上，为客户提供一种完美的显示界面，也是目前重要的显示终端。本次实验设计主要是基于 FPGA 芯片为处理器，利用硬件描述语言完成 VGA 的时序控制，并利用相应的实验平台，进行设计验证，基本实现了 VGA 的彩条信号和图像显示效果，达到了整个设计目标和要求。四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书21.2 选题研究的方法与主要内容1.2.1 研究方法通过查阅资料，学习 VGA 工作原理和控制方法，掌握 EDA 技术应用基本
5、技巧，运用 FPGA 为设计实现的处理器，完成 VHDL 对各个模块的功能描述，在实验平台上完成整个系统设计实现。1.2.2 主要内容 根据设计任务，制定实现方案 应用 VHDL 完成对系统中各个功能模块的描述 完成顶层设计文件，并调试仿真系统 下载程序代码到 FPGA，在实验平台上验证 VGA 是否正常显示撰写设计报告书1.3 研究条件和可能存在的问题1.3.1 研究条件会使用 EDA 开发工具软件 Quartus II ,能熟练使用 VHDL 语言编写时序电路，需要有相应的实验开发平台。1.3.2 可能存在的问题： VGA 时序控制不正确，无法正常显示相应的图形 VGA 硬件接口电路 PC
6、B 设计不能实现其功能 FPGA 内部 ROM 存储空间太小，不能存储大容量的图片数据1.4 拟解决的主要问题和预期的结果1.4.1 拟解决的主要问题 VGA 时序控制问题 PROTEL 绘制 VGA 电阻分压网络电路设计问题 调试 VHDL 程序代码常见错误1.4.2 预期的结果通过完成整个系统的电路设计，实现各个功能模块和顶层设计电路，能在显示器上正确看到横竖彩条、棋盘格图形和图片显示等效果。2 图像采集系统介绍2.1 图像采集系统功能分析这部分阐述了图像采集系统的各种动作功能和控制要求，给出了完整的图像采集系统操作规程，并介绍了图像采集运行系统中所包括的人工操作步骤。2.1.1 图像采集
7、系统的基本功能在进行上、下位机程序编写之前，首先要做的工作是确定图像采集系统本身所具四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书3备的功能及在进行某种操作后所具有的状态。在实际生活中，我们见到的图像采集系统可以采集一些简单的图像，如书本、人物和植物等。图像采例集系统的基本功能就是对图像进行采集，并进行简单的处理。举一个简单的例子来说明：采集一本书的图像，系统会根据书的颜色大小自动调整，使采集的图像清晰，尽量减小失真。当图像达到最佳状态时，系统等待外部命令，如继续采集，则同上，如果此时不再采集而按下退出按钮，系统则要进行退出操作，并提示你是否保存所采集的图像，完成此次操作。由此看来，系统一次采集要涉
8、及摄像头、VGA 以及 FPGA 等，这是它的内部功能。基于 FPGA 实现的图像采集系统的整体结构框图如图 1.1.1-1 所示：系统主要分为：图像采集模块、PLL 锁相环时钟管理模块、I2C 总线模块、FIFO 图像数据处理模块、Nios II 显示控制模块。系统中 PLL 负责为 Nios II 嵌入式内核、外部 SDRAM 和 OV7670 摄像头提供时钟，系统通电后，FPGA 首先从 EPCS 中读取配置数据，完成自身程序加载，随后对系统时钟分频为摄像头提供系统时钟，然后通过 I2C总线完成对 OV7670 摄像头的配置。配置完成后，OV7670 将采集到的图像数据输出格式转换为标准
9、的图像数据及图像时钟送入 FPGA 进行处理，并将处理后的图像数据通过 FIFO 模块暂时存储在 SDRAM 中进行缓冲，同时 Nios II 模块读取存放在 SDRAM 中的图像数据，按照 TFT 液晶显示的时序、数据要求将图像数据送到 TFT 彩色液晶显示屏上显示。图 1.1.1-1 图像采集系统结构3 系统硬件设计3.1 FPGA 选型FPGA 是该系统的核心，由于系统目前只是完成简单的图像处理，故 FPGA 选用Altera 公司的低成本 FPGA Cyclone II 系列器件简介如表所示。OV7670摄像头I2C 模块 视频采集模块EPCS16配置芯片 PLLFIFO 数据缓存模块
10、彩色 LCD显示液晶显示控制模块SDRAM控制模块 SDRAM四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书4Cyclone II 器件采用 90nm 工艺制造，它延续 Cyclone 的低成本定位，在逻辑容量、PLL、乘法器和 I/O 数量上都比 Cyclone 有了较大提高，应用 Cyclone II 进行图像处理开发有如下优点：（1）低成本高性能，适应图像处理要求较高的需要。 （2）丰富的内嵌存储器资源，适应大量图像数据存取的需要。(3)丰富的硬件乘法器，适应图像处理算法的需要。系统的 FPGA 选用开发板自带的 EP2CS5Q208C8 芯片。Cyclone II 系列 FPGA 参数对比器
11、件 EP2C5 EP2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70逻辑单元 4608 8256 14448 18752 33216 50528 68416M4K RAM 块 26 36 52 52 105 129 250总比特数 119808 165888 239616 239616 483840 594432 1152000嵌入式乘法器 13 18 26 26 35 86 150PLL 个数 2 2 4 4 4 4 4最多用户 I/O 管脚 158 182 315 315 475 450 6223.2 图像采集模块选择图像采集采用 OV7670 图像传感器，OV
12、7670 图像传感器体积小、工作电压低。OV7670 摄影头的 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。通过 SCCB 总线控制内部寄存器，可以是OV7670 输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率的图像数据。用户还可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。OV7670 与 FPGA 硬件连接如图所示。VCGND35678ov0上HeadrOPI_93.3 图像显示模块图像显示通过在 FPGA 中构建的 Nios II 嵌入式内核实现，Nios II 系统可以在设计阶段根据实际的需求来增减外设的数量和种类。可以使用 Altera 提供的开发工具SOPC Builder，在 FPGA 器件上创建
13、软硬件开发的基础平台，即用 SOPC Builder 创建四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书5嵌入式内核 CPU 和参数化的接口总线 Avalon。在此基础上，可以快速地将硬件系统与常规软件集成在单一可编程芯片中。而且 SOPC Builder 还提供标准的接口方式，以便用户将外围电路做成 Nios II 嵌入式内核可以添加的外设模块。这种设计方式，方便了各类系统的调试。3.4 PLC 的选型与工作原理当某一个控制任务决定由 PLC 来完成后，选择 PLC 就成为最重要的事情。一方面要选择多大容量的 PLC ,另一方面是选择什么公司的 PLC 及外设。对第一个问题，首先要对控制任务进行详
14、细的分析，把所有的 I/O 点找出来，包括开关量 I/O 和模拟量 I/O 以及输出是用继电器还是晶体管或是可控硅型。3.4.1 PLC 的硬件结构图：图 2.4.1-1 PLC 硬件结构图3.4.2 PLC 各部分的作用与工作原理 3.4.2.1 中央处理器 CPU 是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊地工作，其基本功能是从内存中取指令和执行指令。他的重要功能如下： 诊断 PLC 电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。 采集由现场输入装置送来的状态或数据，并送入 PLC 的寄存器中。
15、按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读取指令，进行编译解释后，按四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书6指令规定的任务完成各种运算和操作。 将存于寄存器中的处理结果送至输出端。 应各种外部设备的工作请求。3.4.2.2 存储器PLC 的存储器分为两大部分：一大部分是系统存储器，用来存放系统管理程序、监控程序及其系统内部数据；二大部分是用户存储器，包括用户程序存储区及工作数据存储区。3.4.2.3 PLC 的基本工作原理PLC 采用的是循环扫描工作方式。对每个程序，CPU 从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至
16、遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。PLC 的扫描全过程如图 2.4.2.3-1 所示。图 3.4.2.3-1 PLC 的扫描全过程3.4.2.3.1 输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU 扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。四川师范大学成都学院 EDA 实训报告书73.4.2.3.2 程序执行阶段在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。3.4.2.3.3 输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成 PLC 的实际输出。显然扫描周期的长短主要取决与程序的长短。扫描周期越长，响应速度越慢。由于每一个扫描周期只进行一次 I/O 刷新，即每一个扫描周期 PLC 只对
