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1、. . 基于FPGA图像的采集与显示学生：学生学号：院（系）： 电气信息工程学院 年级专业：指导教师：助理指导教师：二一五年五月 . . . 摘 要随着科技社会的飞速发展，数字图像采集与处理系统在科学研究、工业生产，日常生活等众多领域得到越来越广泛的应用，具有广阔的应用前景和研究价值。在今天，具有图像显示功能的电子产品越来越多，由可视、数码相机，ipad等消费电子产品到门禁系统、数字视频监视等工业控制以及安防产品，处处显示着数字图像采集与处理系统的重要性。而针对于图像的采集与处理ARM、DSP、FPGA各有所长，其中FPGA的并行高速精确的处理在通信领域、图像处理、大屏显示等方面有着得天独厚的
2、优势。基于FPGA可编程器件的可编程特性，采用FPGA进行设计的图形采集系统有良好的可扩展性和相对稳定的硬件结构，利用软件编程和硬件逻辑电路来实现图像采集的软件算法，在很大程度上能够提高图像识别速度和系统的体积，大大节约了生产成本。本次设计利用OV（OmniVision）公司生产的CMOS 7670摄像头进行图像的的采集以及简单的处理，Hynix公司的SDRAM芯片H57V2562GTR75C做图像的临时存储，FPGA芯片采用的是Altera公司旗下的Cyclone系列芯片第四代产品EP4CE6F17C8N，利用其并行高速精确的优势实现640*480*60fps，每秒共30M带宽的VGA显示。
3、此次设计的目的是为了将数字图像采集与显示等功能集成在一块单板上。利用本系统的电路板对图像进行采集、缓存以及通过VGA实现实时显示，在使用过程中摄像头能够正常实现图像采集，SDRAM能够顺利完成图像的存储与读取，FPGA芯片以及程序能够保证整个系统正常运行，并且在VGA显示时图像没有错位和乱码的产生。关键词 图像的实时采集与显示，FPGA，VGA显示ABSTRACT With the rapid development of science and technology society, the digital image acquisition and processing system in
4、 scientific research, industrial production, daily life and so on many fields more and more widely used, has a broad application prospect and research value.Today, which has the function of image shows more and more electronic products, by video phone, digital camera, the consumer electronics produc
5、ts such as the entrance guard system, industrial control, such as digital video surveillance and security products, shows the importance of digital image acquisition and processing system.And for image acquisition and processing of ARM, DSP, FPGA strengths, including the FPGA parallel high-speed pre
6、cise processing in the field of communication, image processing, display, etc, has a unique advantage. Based on the FPGA programmable features of programmable devices, using FPGA to design the graphic collection system has good scalability and relatively stable hardware structure, software programmi
7、ng and hardware logic circuit is used to realize image acquisition software algorithms, in the very great degree can improve the recognition speed and the volume of the system, greatly saves the cost of production.This design using the OV (OmniVision) company produces 7670 CMOS camera image acquisit
8、ion and processing, simple Hynix SDRAM chip H57V2562GTR - 75 c for temporary storage of the image and the FPGA chip USES Altera companys fourth generation product EP4CE6F17C8 Cyclone series chip, using the advantage of its parallel high-speed precise realization of 640 * 480 * 60 FPS,VGA display, a
9、total of 30 m bandwidth per second. The purpose of this design is to integrate the function such as digital image acquisition and display on a single board.The circuit of this system is used to analyse the image acquisition, caching, and through the VGA display in real time, in the process of using
10、normal camera is able to achieve image acquisition, SDRAM would be able to complete the image storage and read, the FPGA chip, and procedures to ensure the normal operation of the whole system, and when the VGA display image without dislocation and garbled.Key words image real-time acquisition and d
11、isplay, the FPGA, VGA display 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题背景11.2 国外研究现状、水平11.3 图像采集技术的发展趋势22 方案论证与选择42.1 系统方案设计42.2 系统方案选择52.3 本课题的技术指标及主要任务53 系统的硬件设计73.1 系统原理及设计框图73.2 FPGA 芯片的选择与其性能分析73.1.1 FPGA概述73.1.2 Cyclone系列芯片介绍73.3 FPGA 最小系统设计103.3.1 复位电路设计103.3.2 部时钟与外部时钟设计113.3.3 JTAG下载接口及其保护电路设计123.4 摄像头的
12、选择及其性能分析133.4.1 OV7670摄像头133.4.2 摄像头功能框图143.4.3 摄像头模块163.5 SDRAM的选择及其性能分析173.6 VGA接口设计194 系统的软件设计224.1 Verilog编程语言介绍224.2 整体设计思想224.3 系统主要结构框图以及功能介绍234.4 SDRAM工作状态机设计245 仿真设计与波形255.1 Quartus开发工具的简介255.2 逻辑分析仪介绍265.3 逻辑分析仪捕获波形展示275.4 效果图展示28结 论29参 考 文 献30附录A：原理图模块展示31附录B：程序代码35致 461 绪论1.1 课题背景在如今先现代电
13、子产品设计的各个领域和系统中，EDA技术的发展和应用得到了很大普及。EDA技术的飞速发展，主要得益于可编程逻辑器件的长足发展和日益成熟。可编程逻辑器件作为一种半定制集成电路，在器部集成了大量的基本逻辑单元电路，设计师门通过编程来改变其部的逻辑关系或者连线，进而得到所需要的电路设计功能。可编程逻辑器件作为一种新型的逻辑器件，速度快，集成度高，能够很好的完成用户定义的功能，还可以实现加密和重新定义编程，且其允许的编程次数更是可以达到上万次。可编程逻辑器件的出现，改变了传统数字系统的设计方法，在简化了硬件系统，降低成本的同时还提高了系统的灵活性和可靠性。因此，自20世纪70年代问世以来，受到了广大工
14、程师的青睐，广泛应用于工业控制，仪器仪表，通信设置和医疗电子仪器等众多领域，为EDA技术的发展开创了广阔的空间。在图像采集与处理系统中，应用得比较广泛的有DSP,FPGA和专用集成电路芯片。就应用围而言，DSP的应用最为广泛，它的硬件系统和指令结构是专为数字信号处理而设计，在图像处理算法方面有非常大的优势，尤其是它的乘法、加法操作非常适合图像算法的实现，能够很好的实现滤波卷积等操作。然而，DSP造价昂贵，因而设计成本相应有很大增加，对于一些对成本价格敏感，对图像处理的要求又不是很高的场合，DSP有很大的使用局限性。ASIC专用集成芯片，体积小，功耗低，但是只能适用于专用的场合，且开发不够灵活，可移植性较差，当需要改变图像处理的算法的时候，只能重新设计芯片，导致开发周期延长，成本升高。随着硬件集成度的不断提高，FPGA系统的功能更加强大，具有了实现宏函数的嵌入式阵列以及实现普通功能的逻辑阵列，正好解决了DSP和ASIC所面临的问题。为了满足系统对不同的速度的要求，FPGA芯片设计采用不同的速度等级，用户可根据系统的具体要求，选择合适的芯片。1.2 国外研究现状、水平跟随微电子技术和图像处理技术的发展，采用大规模集成电路或专用芯片取代计算机的脱机图像处理系统应运而生。而高速度、大容量的FPGA和SOPC技术的出现，图像采集和处理又有了
