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1、装订线 本科生毕业论文（设计） 题目：基于SAA7113的图像灰度信息采集系统 学 院 电子信息工程学院 学科门类 工学 专 业 通信工程 学 号 2005444175 姓 名 邓学群 指导教师 田晓燕 2009年 05月15日河北大学2009届本科毕业生论文(设计)基于SAA7113的图像灰度信息采集系统摘 要针对目前视频图像采集数据量大时，处理速度慢，执行效率低的问题。本论文提出了基于SAA7113的图像灰度信息采集系统。本系统由FPGA作为图像采集的主要控制部分，完成图像的预处理。FPGA由于其在完成复杂逻辑运算时的优异表现，成为系统控制芯片的首选。SAA7113则作为视频转换芯片，它把
2、采集到的模拟转换成数字信号提供给后级处理芯片，是此系统必不可少的一部分。本文主要阐述了图像采集系统的总体构成，详细讨论了FPGA内部逻辑的设计，介绍了SAA7113图像编码芯片在图像处理系统中的应用。FPGA内部逻辑设计是本文的重点和核心。在对SAA7113初始化时，要通过I2C进行初始化，因此详细介绍了I2C总线，并在FPGA内部模拟I2C总线控制器。通过实际的运行，证明了该设计实现简单，运行良好，基本可以满足图像采集的要求。关键词：图像采集；可编程逻辑器件；I2C；VHDL ABSTRACTVideo image acquisition for the current large volu
3、me of data, the processing speed slow, the problem of low efficiency, This paper presents the SAA7113-based image acquisition system information. The system as the image acquisition by the FPGA to control the main part of the pre-treatment image. FPGA as a result of its complex logic operations at t
4、he time of performance, becoming the first choice for system control chips. SAA7113 chip as video conversion, it collected into the analog to digital signal processing chips after the class is an essential part of this system. FPGA in the system as the main image collection control part and complete
5、 image acquisition .Becasue of the outstanding performance in complex logic operation ,FPGA becomhing the peferred system contol chip.this paper described the overall image acquisition system consists detailed discussed the FPGAs internal logic design intorduced the SAA7113 image decoding chips appl
6、icationgs in image processing ststem .the FPGAs internal logic design is the focus and core in this paper .during the initialization of the SAA7113,it will use the I2C .so it described the detail of I2C bus ,and simulation I2C bus controller within the FPGA . Through the actual operation,it proved t
7、hat the design ang implem entation is simple ,better operation and can meet the requirements of the real-time image acquisition.Keywords: image acquisition FPGA I2C VHDL目 录一 引 言11.1图像采集系统的发展11.2 图像采集系统的应用11.3本论文主要工作2二 开发工具简介32.1 FPGA的开发流程及使用的工具5-932.1.1 FPGA的开发流程32.1.2 FPGA开发工具42.2 SignalTap 简介及使用流程
8、4三 视频编码芯片部分设计53.1视频芯片介绍53.1.1 SAA7113基本原理53.1.2 SAA7113主要功能及特点63.1.3 SAA7113内部结构图63.1.4 SAA7113工作流程73.2 I2C总线介绍83.2.1 I2C总线的工作原理83.2.2 I2C总线的通信时序83.3 本章总结9四视频图像采集模块设计104.1 采集模块实现框图104.2 视频采集芯片SAA7113初始化104.2.1 SAA7113的寄存器的介绍104.2.2 SAA7113初始化及数据采集模块144.3 本章总结22五 全文工作总结及未来展望235.1 本文工作总结235.2 未来展望23谢
9、辞24参考文献25一 引 言1.1图像采集系统的发展早在本世纪20年代，人们利用巴特蓝（bartlane）电缆图片传输系统，经过大西洋传送了第一幅数字图像。随后人们始终对图像处理技术和它的各种应用怀有浓厚的兴趣，并对提高图像质量的技术进行了探索，这种努力一直持续到40年后。1964年，美国喷射推进实验室（JPL）进行太空探测工作，他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片，使用图像处理技术，如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理，并考虑了太阳位置和月球环境的影响，由计算机成功地绘制出月球表面地图，获得了巨大成功。在以后的宇航空间技术中，如对火星、土星等星球的探测研究中，数
10、字图像处理技术都发挥了巨大的作用。到了70年代，图像处理技术在空间遥感领域中的应用研究所取得的巨大成就，引起了世界各国的广泛关注。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置，简称CT（ComputerTomograph）。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置，获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年，这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，说明它对人类做出了划时代的贡献。从20世纪70年代中期开始
11、，随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展。很多国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力研究计算机视觉（图像理解）领域，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是20世纪70年代末MIT的Marr提出的视觉计算理论，这个理论成为计算机视觉领域其后十多年的主导思想。这里特别要指出，从20世纪90年代以来，计算智能信息处理技术获得了飞速的发展，它在数字图像处理和计算机视觉领域中获得了越来越广泛的应用，取得了许多引人注目的突破性成果。这些成果不仅推动了计算智能信息处理技术的进一步发展，而且给数字图像处理和计算机视觉开辟了不少新的研究领域。1.2 图像采集系
12、统的应用图像信息是人类获取的最重要的信息之一，图像采集在数字图像处理、图像识别等领域应用十分广泛。可以从以下几个方面来体现：(1) 在通信领域的应用。当前通信的主要发展方向是声音、文字、图像和数据相结合的多媒体通信，其中以视频图像通信最为复杂和困难，因为其数据量十分巨大，如传送彩色电视信号的速率达100Mb/s以上。要将这样高的速率的数据实时传送出去，必须采用图像压缩编码技术。(2) 在生物医学领域的应用。它的直观、无创伤、安全方便等优点受到了人们的普遍欢迎和接受。除了最成功的X射线、CT技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析，即自动细胞分析仪，如红细胞、白细胞分类，染色体分析、癌细胞识
13、别以及超声波图像的分析等。图像采集卡可以用于B超、CT、病理分析等；(3) 在军事、公安领域的应用。在军事方面主要用于导弹的精确制导、具有图像、传输、存储和显示的军事自动化、指挥系统等；在公安业务方面实时监控、案件侦破、指纹识别、人脸识别、虹膜识别以及交通流量监控、银行防盗等。特别是目前已全面投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和车牌的自动识别4。1.3本论文主要工作本论文主要围绕图像的采集部分，在研究了所选用FPGA的基础上，按照系统的要求，完成视频编码芯片的初始化，以及FPGA内部逻辑的设计和验证。本文围绕图像采集系统的研究将做如下的工作：(1)学习了解FPGA器件的基本原理和特点
14、，掌握FPGA的设计流程，学习硬件描述语言和设计技巧。(2)通过分析系统，完成FPGA控制逻辑的设计和编写。(3)研究图像编码芯片，完成图像采集芯片的初始化。论文的主要内容如下：第一章对数字图像处理的应用和发展, 介绍了FPGA的开发流程和使用的开发工具，为后面的章节做准备。第二章主要对图像采集系统的整体构造做了介绍，同时还制定了系统要达到的性能指标。第三章研究了视频编码芯片SAA7113，和初始化时用到的I2C协议做了详细的介绍，为后面FPGA初始化SAA7113做准备。第四章为论文的重点，本章对FPGA进行设计，完成了SAA7113的初始化，图像采集的设计，对各个模块进行了详细的介绍。第五
15、章是对全文的工作进行总结，并提出了进一步工作的设想。 二 开发工具简介2.1 FPGA的开发流程及使用的工具5-9FPGA设计流程分为设计规范、设计输入、功能仿真、综合设计、布局布线、时序仿真、下载验证等步骤。2.1.1 FPGA的开发流程 (1)设计输入设计输入是CPLD/FPGA开发阶段的第一步，他完成了器件的硬件描述。设计输入包括使用硬件描述语言(HDL)、原理图输入两种方式。HDL输入方式现今设计大规模数字集成电路的良好形式，主要的硬件描述语言有VHDL与Verilong HDL两种形式，HDL描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强。而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、便于理解、单元节省等特点。
