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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、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。

1.2 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PCB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

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。

Cyclone 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

器件EP2C5 EP2C8 EP2C15 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C70

逻辑单元4608 8256 14448 18752 33216 50528 68416

M4K 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 86 150

PLL个数 2 2 4 4 4 4 4

最多用户I/O管脚158 182 315 315 475 450 622

3.2 图像采集模块选择

图像采集采用OV7670图像传感器，OV7670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。

3.3 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器件上创建软硬件开发的基础平台，即用SOPC Builder创建嵌入式

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。

★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