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1、武汉*大学毕业设计（论文）基于CPLD/FPGA的图像采集系统的设计与实现学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题提出的背景和意义11.2 设计研究的主要内容及预期目标21.3 论文结构22 系统方案设计32.1 系统总体设计方框图32.2 系统工作原理33 系统硬件设计43.1 系统整体硬件结构图43.2 FPGA控制系统设计43.2.1 主控芯片的选择43.2.2 控制部分电源设计53.2.3 时钟电路设计63.2.4 复位电路设计63.3 图像采集电路设计73.3.1 图像传感器的选择73.3.2 图像传感器MT9M011
2、的工作原理73.3.3 图像采集硬件电路83.4 外部存储器电路设计93.4.1 外部存储器的选择93.4.2 SDRAM简介93.5 D/A转换器电路设计103.5.1 ADV7123简介103.5.2 D/A转换硬件电路图设计114 系统软件设计124.1 图像传感器初始化程序设计124.1.1 I2C控制程序设计124.1.2 MT9M011初始化程序设计144.2 图像数据采集模块154.2.1 图像采集原理介绍154.2.2 图像采集模块的设计与仿真164.3 格式转换模块184.3.1 格式转换原理介绍184.3.2 模块程序的设计与波形仿真204.4 SDRAM控制器的实现224
3、.5 VGA控制器234.5.1 VGA接口介绍244.5.2 VGA控制器的设计244.5.3 VGA控制器的仿真与实现265 系统调试与分析285.1 系统实物图285.2 系统调试285.2.1 系统调试过程285.2.2 系统调试中遇到的问题295.3 系统调试的体会30结束语31参考文献32附录1 图象采集部分源程序33附录2 电路图36附录3 实物图和采集图像39致 谢40摘 要 随着全球科技的不断发展，各种工业控制、模式识别以及计算机视觉对图像采集的要求越来越高。伴随着嵌入式系统的兴起和发展，设计一种价格合理、使用灵活的图像采集系统已成为可能，而这种图像采集系统的设计也有着十分重
4、要的实际意义。本文详细介绍了一种基于嵌入式技术的数字图像采集系统的设计方案。该系统采用FPGA作为主控芯片，来完成对图像传感器、SDRAM存储器以及VGA显示器的时序控制。该芯片内部由I2C配置模块、图像采集模块、图像数据格式转换模块、SDRAM控制器模块以及VGA控制模块组成。本设计的创新点在于充分发挥了FPGA在数字信号处理高集成、高速度的优点，很好的解决了图像采集数据量大、处理耗时、信号复杂等技术难点。另外，该设计的图像采集、处理及显示均没有PC机的参与，较好的解决了传统图像采集体积大、成本高的缺点。本文首先分析了图像采集系统的研究现状和意义，简单介绍了系统的设计方案和工作原理，之后在论
5、文的3、4章中，我分别对系统的硬件电路、软件程序进行了详细的原理介绍，并对各模块进行了设计和仿真。将每一部分的仿真结果都与理论结果进行了比较和分析，并在实物中进行了调试。在论文的第5章中，详细记录了调试中遇到的问题与自己的调试体会，并给出了实物调试结果。在实物运行中，系统能够实现图像的实时采集，且采集图像较为清晰，收到了预期的效果。关键字：FPGA；图像采集；VGA ；SDRAM存储器AbstractWith the continuous development of global science and technology, industrial control, pattern reco
6、gnition and computer vision for image acquisition have become increasingly demanding. Accompanied by the emergence of embedded systems and development, to design a reasonable price, the use of flexible image acquisition systems have become possible, and that the design of image acquisition system al
7、so has important practical significance. This paper describes a technique based on embedded digital image acquisition system design. The system uses a FPGA chip as the master to complete the image sensor, SDRAM memory, and VGA monitor control of the timing. The chip is built up of internal configura
8、tion module by the I2C, image acquisition module, image data format conversion module, SDRAM controller and the VGA control module. The innovation of this design is to give full play to the FPGA digital signal processing in highly integrated, high-speed advantages of a good solution to many technica
9、l problems such as the large amount of image data collection, processing and time-consuming, complex signals. In addition, the design of image acquisition, processing and display machines are not involved in PC, which is a better solution of the bulky traditional image acquisition, the shortcomings
10、of high cost. In this paper, I analyze the status and significance of the image acquisition system at first. After a brief introduction of the system design and operating principle, I introduce the principle of the system hardware circuits, software program in detail. At the same time, I design the
11、modules and simulate them in Chapter 3 and 4. Each part of the simulation results with the theoretical results is compared and analyzed, and in-kind in the debugger. In the paper in Chapter 5, I record the problems encountered in testing and my own experiences in detail, and gives the results of phy
12、sical testing. In the physical operation, the system can achieve real-time image acquisition, the image acquisition is clear. This system has received the desired results.Key Words：FPGA；image capture；VGA；SDRAM memory1 绪论1.1 课题提出的背景和意义 人类有80%以上的信息来自于图像。随着全球工业化的不断深入，科学技术的不断提高，图像技术在众多科学研究领域和日常生活中得到了广泛的
13、应用。图像技术包括图像采集、图像传输、图像存储、图像处理和图像分析等。其中图像采集是图像技术的基础和前提。高速的图像采集和传输应用需求，极大地推动了图像技术的发展。 目前，图像采集系统广泛的用于国民经济、国防建设、科学研究等各个领域。在医学方面，如染色体分析以及超声、核磁共振和CT等技术，是利用图像系统对病人进行无痛安全直观地诊断和治疗；通讯方面的应用如可视电话、电视会议和新一代的手机功能；在卫星遥感方面，广泛用于土地测绘、资源调查、气象检查、环境污染监督、农作物估产、军事侦查和地形匹配等领域；在公安刑事侦察中的指纹识别、人脸组合与识别等；还有工业生产方面的产品无损检测等等。 对于这些基于图像
14、辨别而进行操作控制的应用系统，图像采集是它们不可或缺的前端设备。而多媒体通信、高清晰度电视以及图像处理、模式识别和计算机视觉等众多领域都对视频图像的采集与处理提出了越来越高的要求，显然图像采集技术的研究具有重要的现实意义。传统的数字图像采集、处理系统多采用计算机软件、单片机或专用DSP等来实现。这些方法要么处理速度较慢，无法满足现代图像处理系统的实时性要求；要么专业性太强，应用受限制。为了有效地提高各类图像采集速度和实现各类图像处理算法，许多用于视频图像采集和处理的芯片随之应运而生，芯片的处理功能也越来越强大，使用也越来越方便。而FPGA是一种较大规模的可编程逻辑器件，可以用于任何的数字逻辑系
15、统1，特别是实时处理方面，更有独特的优势2。FPGA本身的高性能（基于查找表LUT及逻辑模块结构）、高集成度（高达几十万甚至上百万个逻辑门）和低功耗的特点，己经使其具备了高速CPU的性能。用FPGA来做实时图像处理，由于可编程逻辑的大容量、灵活性，可以实现图像极大的并行处理能力，速度比PC机和数字信号处理芯片快，并可以实现SOPC系统3。如果采用FPGA结合外部存储器的方式，则它在处理像实时图像信号这样巨大的信息量时便显得游刃有余，满足系统对实时性的要求。如果将FPGA与一些现有的图像处理芯片结合起来，组成满足很多场合需求的嵌入式图像处理系统，这不仅能解决以上许多问题，还可以大大提高系统图像处理的性能4。综上所述，与其他实现方式相比，利用FPGA来实现图像处理有其独特的优越性；FPGA芯片的可编程性和强大的处理能力，使其可以灵活、高效的运行和分析各种图像处理算法；并且它的高集成度，使我们可设计出较小的系统。因此，深入研究基于FPGA进行实时图像处理系统，对开发出高性能的
