基于CMOS图像传感器的高速图像采集系统设计
发布时间：2021-11-12 09:21
近年来,随着CMOS制造工艺的不断发展,CMOS图像传感器以其高分辨率、高速、低功耗的优势开始越来越多的应用在高速图像采集系统中,并对图像采集系统的性能提出了更高的要求。本文通过对比分析图像采集系统各部分的主要特点,设计了一款基于CMOS图像传感器的高速图像采集系统,该系统选用FPGA作为控制芯片,实现对图像传感器的配置及图像数据的处理,选用DDR2完成对图像数据的缓存,选用千兆以太网完成图像数据的传输。本文主要从图像数据的接收、图像数据的缓存、图像数据的传输三方面进行介绍,在硬件上设计了DDR2缓存硬件电路、千兆以太网硬件电路,并对整个系统的电源电路进行了详细分析及计算。在逻辑上,将图像传感器输出的图像数据依次进行差分转单端、双沿转单沿、同步码判断、串行转并行。其次通过控制DDR2的地址信号,将图像数据按以太网数据包的大小写入DDR2或者从DDR2中读出。最后在传输模块完成了对数据包的封装和命令帧的解析,并以千兆以太网应用层数据帧与命令帧的结构为基础,设计了重传逻辑,实现了有误图像数据的重新上传。通过设计相关试验,完成对图像采集系统的功能验证,包括巨型帧与标准帧的传输效率对比、应用层...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见传输接口最大传输速度Figure2-1Maximumtransmissionspeedofseveralcommontransmissioninterfaces
中北大学学位论文13字节）、数据包长度（2字节）及校验和（2字节）。在本设计中，对校验和不做要求，设置为0，其它参数根据实际情况进行调整。2.5.2应用层数据帧协议设计（1）巨型帧应用为了提高数据传输效率，本设计利用巨型帧技术完成数据传输。巨型帧，又称大型帧，是指有效负载超过标准以太网所限制的1500字节的以太网帧，专门为千兆以太网而设计，采用巨型帧技术能够大幅度提高千兆以太网的传输效率[32]。以TCP协议和UDP协议为例，以太网数据包由实际数据以及相关的图像协议组成，根据IEEE802.3标准，标准帧最大为1500字节，则TCP协议每包实际数据=1500-IP首部-TCP首部=1500-20-20=1460字节，以太网帧=1500+前导码+起始码+目的MAC地址+源MAC地址+协议类型=1500+7+1+6+6+2+4=1526字节，传输效率为1460/1526=95.67%。UDP协议每包实际数据=1500-IP首部-UDP首部=1500-20-8=1472字节，传输效率为1472/1526=96.46%。当采用巨型帧传输时，以一包为9000字节为例，TCP协议每包传输效率为8960/9026=99.27%，UDP协议每包传输效率为8972/9000=99.40%。从以上计算分析可知，巨型帧相比于普通帧，通过增加每包传输的字节数减少包头包尾的传输，具有更高的传输效率，因此大量应用在数据量传输较大的场合中。（2）数据帧结构组织数据帧的结构组织包括图像数据、图像状态、帧计数、包计数等信息，根据数据类型的不同，又分为头包、数据包和尾包。数据帧的结构组织如图2-4所示。0-78-1516-2324-31数据帧发送状态数据帧帧头包计数帧计数有效数据图2-4数据帧结构组织Figure2-4Dataframestructureorganization
中北大学学位论文14数据帧帧头：数据帧起始标准，设置为“0x0000”，占两字节。帧计数：表明当前传输的图像数据所在的帧数。当一幅图像数据传输结束后，包计数清零，帧计数加1，占两字节。数据类型：说明此帧的数据类型，占两字节。头包设置为“01”，数据包设置为“02”，尾包设置为“03”。包计数：表明当前传输的图像数据所在的包数，每完成一包图像数据的传输均加1，占两字节。2.5.3应用层命令帧协议设计千兆以太网的命令帧分为两种，一种是普通命令帧，即计算机下发参数对采集系统进行配置。另一种是ARP请求帧，接下来主要对这两种命令帧的结构组织进行介绍。（1）ARP帧结构组织ARP：地址解析协议，是发送方通过接收方的IP地址获取物理地址的一个通信协议。在局域网中，当上位机软件要对相机发送配置命令时，必须知道相机的IP地址，但是仅有IP地址也是不够的，因为IP数据帧必须封装成MAC帧才能在物理网络上发送，因此发送方必须知道相机的物理地址。ARP协议就是实现从IP地址到物理地址的映射，上位机软件在发送消息将含有目标IP地址的请求命令广播到局域网上的所有相机，并接受ARP应答命令，以此确定相机的物理地址。ARP帧结构组织如图2-5所示。0-78-1516-2324-31源IP地址目标物理地址以太网首部（14字节）帧类型硬件类型协议类型硬件地址长度协议地址长度操作码源物理地址源物理地址目标物理地址目标IP地址目标IP地址填充字图2-5ARP帧结构组织Figure2-5ARPframestructureorganization
【参考文献】：
期刊论文
[1]卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统的SNR模型建立[J]. 张惠宇宸,贺小军,苏志强. 长春理工大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]一种基于AMBA协议的双通道以太网MAC的设计与实现[J]. 霍卫涛,郭蒙,廖寅龙. 信息通信. 2018(02)
[3]大数据存储中数据完整性验证结果的检测算法[J]. 徐光伟,白艳珂,燕彩蓉,杨延彬,黄永锋. 计算机研究与发展. 2017(11)
[4]CCD与CMOS图像传感器的现状及发展趋势[J]. 马精格. 电子技术与软件工程. 2017(13)
[5]千兆以太网中CRC-32的并行实现[J]. 田野,佟皓萌. 电子设计工程. 2016(15)
[6]适于高级数TDI CMOS图像传感器的模拟累加器的研究[J]. 黄福军,徐江涛,聂凯明. 南开大学学报(自然科学版). 2016(03)
[7]图像传感器的发展及应用现状[J]. Joost Seijnaeve. 中国公共安全. 2015(12)
[8]高电压宽范围输入低电压输出的DC-DC辅助电源设计[J]. 胡亮灯,孙驰,赵治华,艾胜. 电工技术学报. 2015(03)
[9]基于Windows 7系统的GigE工业相机网络接口程序设计[J]. 郑修勇,古乐野. 计算机应用. 2014(S1)
[10]基于FPGA的UDP/IP协议栈的研究与实现[J]. 崔鹤,刘云清,盛家进. 长春理工大学学报(自然科学版). 2014(02)
硕士论文
[1]智能相机应用软件设计及GigE Vision协议实现[D]. 张仰月.南京邮电大学 2019
[2]基于CMOS传感器的高速图像采集装置的研究与设计[D]. 王国忠.中北大学 2019
[3]基于千兆以太网的自定义协议分析及接口IP核设计[D]. 王琦.中北大学 2019
[4]EBsCMOS相机驱动系统开发[D]. 高策.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2018
[5]基于嵌入式GPU的工业检测智能相机系统硬件设计[D]. 宋俊男.浙江大学 2018
[6]基于USB3.0与FPGA的图像采集处理系统研究[D]. 陈烁.深圳大学 2017
[7]基于ARM图像采集传输系统研究[D]. 王帅辉.北方工业大学 2017
[8]基于FPGA的万兆以太网与高速图像传输系统的研究与实现[D]. 李攀.西安电子科技大学 2017
[9]基于DDR3的CMOS高速图像采集系统的FPGA设计与实现[D]. 毕然.哈尔滨理工大学 2017
[10]线性电源设计与可靠性分析[D]. 赵长伟.山东交通学院 2016
本文编号：3490620
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种常见传输接口最大传输速度Figure2-1Maximumtransmissionspeedofseveralcommontransmissioninterfaces
中北大学学位论文13字节）、数据包长度（2字节）及校验和（2字节）。在本设计中，对校验和不做要求，设置为0，其它参数根据实际情况进行调整。2.5.2应用层数据帧协议设计（1）巨型帧应用为了提高数据传输效率，本设计利用巨型帧技术完成数据传输。巨型帧，又称大型帧，是指有效负载超过标准以太网所限制的1500字节的以太网帧，专门为千兆以太网而设计，采用巨型帧技术能够大幅度提高千兆以太网的传输效率[32]。以TCP协议和UDP协议为例，以太网数据包由实际数据以及相关的图像协议组成，根据IEEE802.3标准，标准帧最大为1500字节，则TCP协议每包实际数据=1500-IP首部-TCP首部=1500-20-20=1460字节，以太网帧=1500+前导码+起始码+目的MAC地址+源MAC地址+协议类型=1500+7+1+6+6+2+4=1526字节，传输效率为1460/1526=95.67%。UDP协议每包实际数据=1500-IP首部-UDP首部=1500-20-8=1472字节，传输效率为1472/1526=96.46%。当采用巨型帧传输时，以一包为9000字节为例，TCP协议每包传输效率为8960/9026=99.27%，UDP协议每包传输效率为8972/9000=99.40%。从以上计算分析可知，巨型帧相比于普通帧，通过增加每包传输的字节数减少包头包尾的传输，具有更高的传输效率，因此大量应用在数据量传输较大的场合中。（2）数据帧结构组织数据帧的结构组织包括图像数据、图像状态、帧计数、包计数等信息，根据数据类型的不同，又分为头包、数据包和尾包。数据帧的结构组织如图2-4所示。0-78-1516-2324-31数据帧发送状态数据帧帧头包计数帧计数有效数据图2-4数据帧结构组织Figure2-4Dataframestructureorganization
中北大学学位论文14数据帧帧头：数据帧起始标准，设置为“0x0000”，占两字节。帧计数：表明当前传输的图像数据所在的帧数。当一幅图像数据传输结束后，包计数清零，帧计数加1，占两字节。数据类型：说明此帧的数据类型，占两字节。头包设置为“01”，数据包设置为“02”，尾包设置为“03”。包计数：表明当前传输的图像数据所在的包数，每完成一包图像数据的传输均加1，占两字节。2.5.3应用层命令帧协议设计千兆以太网的命令帧分为两种，一种是普通命令帧，即计算机下发参数对采集系统进行配置。另一种是ARP请求帧，接下来主要对这两种命令帧的结构组织进行介绍。（1）ARP帧结构组织ARP：地址解析协议，是发送方通过接收方的IP地址获取物理地址的一个通信协议。在局域网中，当上位机软件要对相机发送配置命令时，必须知道相机的IP地址，但是仅有IP地址也是不够的，因为IP数据帧必须封装成MAC帧才能在物理网络上发送，因此发送方必须知道相机的物理地址。ARP协议就是实现从IP地址到物理地址的映射，上位机软件在发送消息将含有目标IP地址的请求命令广播到局域网上的所有相机，并接受ARP应答命令，以此确定相机的物理地址。ARP帧结构组织如图2-5所示。0-78-1516-2324-31源IP地址目标物理地址以太网首部（14字节）帧类型硬件类型协议类型硬件地址长度协议地址长度操作码源物理地址源物理地址目标物理地址目标IP地址目标IP地址填充字图2-5ARP帧结构组织Figure2-5ARPframestructureorganization
【参考文献】：
期刊论文
[1]卷帘数字域TDI技术的CMOS成像系统的SNR模型建立[J]. 张惠宇宸,贺小军,苏志强. 长春理工大学学报(自然科学版). 2018(04)
[2]一种基于AMBA协议的双通道以太网MAC的设计与实现[J]. 霍卫涛,郭蒙,廖寅龙. 信息通信. 2018(02)
[3]大数据存储中数据完整性验证结果的检测算法[J]. 徐光伟,白艳珂,燕彩蓉,杨延彬,黄永锋. 计算机研究与发展. 2017(11)
[4]CCD与CMOS图像传感器的现状及发展趋势[J]. 马精格. 电子技术与软件工程. 2017(13)
[5]千兆以太网中CRC-32的并行实现[J]. 田野,佟皓萌. 电子设计工程. 2016(15)
[6]适于高级数TDI CMOS图像传感器的模拟累加器的研究[J]. 黄福军,徐江涛,聂凯明. 南开大学学报(自然科学版). 2016(03)
[7]图像传感器的发展及应用现状[J]. Joost Seijnaeve. 中国公共安全. 2015(12)
[8]高电压宽范围输入低电压输出的DC-DC辅助电源设计[J]. 胡亮灯,孙驰,赵治华,艾胜. 电工技术学报. 2015(03)
[9]基于Windows 7系统的GigE工业相机网络接口程序设计[J]. 郑修勇,古乐野. 计算机应用. 2014(S1)
[10]基于FPGA的UDP/IP协议栈的研究与实现[J]. 崔鹤,刘云清,盛家进. 长春理工大学学报(自然科学版). 2014(02)
硕士论文
[1]智能相机应用软件设计及GigE Vision协议实现[D]. 张仰月.南京邮电大学 2019
[2]基于CMOS传感器的高速图像采集装置的研究与设计[D]. 王国忠.中北大学 2019
[3]基于千兆以太网的自定义协议分析及接口IP核设计[D]. 王琦.中北大学 2019
[4]EBsCMOS相机驱动系统开发[D]. 高策.中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) 2018
[5]基于嵌入式GPU的工业检测智能相机系统硬件设计[D]. 宋俊男.浙江大学 2018
[6]基于USB3.0与FPGA的图像采集处理系统研究[D]. 陈烁.深圳大学 2017
[7]基于ARM图像采集传输系统研究[D]. 王帅辉.北方工业大学 2017
[8]基于FPGA的万兆以太网与高速图像传输系统的研究与实现[D]. 李攀.西安电子科技大学 2017
[9]基于DDR3的CMOS高速图像采集系统的FPGA设计与实现[D]. 毕然.哈尔滨理工大学 2017
[10]线性电源设计与可靠性分析[D]. 赵长伟.山东交通学院 2016
本文编号：3490620
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3490620.html
