基于FPGA的嵌入式图像采集卡的研究
发布时间：2022-06-24 09:54
图像采集和处理技术在机器视觉和图像分析等诸多领域应用十分广泛，大部分情况下，采集卡只需将前端相机捕获的图像信息正确地传回计算机即可。但是在要求较高的应用场合需要采集卡能准确控制外部光源和相机，完成图像采集，预处理，数据传输。只有这样，用户才可以根据不同的兴趣和需求对特定的某些图像进行采集、传输以及处理，以达到某种分析目的。 本文根据国家985二期项目“三维粒子图像测速系统”的图像采集与处理需要，设计开发了一款以FPGA为核心控制芯片的嵌入式图像采集卡。采集卡以FPGA为逻辑和算法实现的核心器件，不仅实现了传统意义上的图像采集，而且实现了CCD相机控制和激光器同步曝光功能，打破了以往单纯靠增加硬件设备实现同步控制的方法，简化了系统硬件结构并节约系统成本。此外，在系统中嵌入了图像增强算法和采用PCI接口与计算机连接满足了高速采集的要求。同时，采用市场上广泛应用的Camera Link作为采集卡的图像输入接口，提高了系统的通用性、传输速率和抗干扰能力，简化图像获取设备和模拟摄像头之间需要视频解码等连接。具有嵌入式处理功能，光源同步和相机控制的采集卡将使机器视觉系统，图像测速等诸多...
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本论文主要的工作
2 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的总体方案设计
2.1 图像采集系统的工作原理
2.2 图像采集卡实现方案
2.2.1 图像采集卡与计算机的接口设计方案
2.2.2 图像采集卡输入接口的设计方案
2.2.3 图像数据存储的设计方案
2.2.4 核心控制器的设计方案
2.3 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的工作原理
2.4 系统可行性论证
2.4.1 数据传输带宽
2.4.2 系统响应速度
3 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的硬件设计
3.1 FPGA最小系统
3.1.1 电源的设计
3.1.2 时钟的设计
3.1.3 PLL电源设计
3.1.4 复位电路设计
3.1.5 FPGA配置接口
3.2 PCI接口
3.2.1 PCI接口简介
3.2.2 PCI接口芯片的选型
3.2.3 PCI9054介绍
3.2.4 PCI9054接口电路设计
3.2.5 PCI9054的配置寄存器
3.3 Camera Link接口
3.3.1 Camera Link接口标准的介绍
3.3.2 LVDS技术的介绍
3.3.3 Camera Link接口芯片的选型
3.3.4 Camera Link接口电路设计
3.4 RS232串口
3.4.1 RS232串口的介绍
3.4.2 RS232串口的电平转换芯片的选型
3.4.3 RS232串口通信接口电路设计
3.5 扩展存储器设计
3.5.1 寄存器的选型
3.5.2 SDRAM接口电路设计
3.6 电路板的设计和实现
3.6.1 PCI板连接器的设计
3.6.2 电路板的技术指标
3.6.3 PCB的设计
4 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的软件设计
4.1 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的驱动程序设计
4.1.1 WDM简介
4.1.2 驱动程序开发工具的选择
4.1.3 驱动程序的设计与实现
4.1.4 驱动程序安装
4.2 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的应用程序
4.2.1 与WDM驱动程序通信的上层应用程序
4.2.2 进行相机模式设置的串口通信程序
4.3 FPGA内部逻辑结构
4.3.1 时钟管理设计
4.3.2 PCI总线仲裁器
4.3.3 SDRAM控制器
4.3.4 相机模式配置模块
4.3.5 相机触发和激光器触发模块
4.3.6 图像采集控制模块
4.3.7 图像预处理模块
4.4 FPGA内部逻辑调试结果及分析
4.4.1 调试工具
4.4.2 PCI仲裁器调试结果分析
4.4.3 SDRAM控制器调试结果分析
4.4.4 相机模式配置模块调试结果分析
4.4.5 相机触发和激光器触发模块调试结果分析
4.4.6 图像采集控制模块调试结果分析
5 图像采集卡嵌入图像增强算法
5.1 图像增强
5.1.1 图像增强算法理论
5.1.2 本论文的图像增强算法
5.2 图像增强算法的FPGA实现
5.2.1 FPGA算法的VHDL实现
5.2.2 FPGA算法调试结果分析
5.2.3 图像增强的结果分析
结论
参考文献
附录A 相关程序段
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]LVDS接口原理和标准及在平板显示系统中的应用[J]. 张涛,舒林锋,郑冬军,王婧. 计算机与数字工程. 2007(09)
[2]基于FPGA的图像增强处理系统的设计与实现[J]. 韩娟娟,邓文怡,娄小平. 微计算机信息. 2007(26)
[3]基于PCI总线运动控制卡WDM驱动程序设计[J]. 陈富章,李伟光,高严松,唐文媛. 微计算机信息. 2007(19)
[4]基于EP1C3T144的最小系统开发板的设计[J]. 章丽萍,周凤星. 武汉科技大学学报(自然科学版). 2007(03)
[5]基于FPGA器件的RS232—C接口设计及其扩展[J]. 陈炳权. 攀枝花学院学报. 2006(05)
[6]PCI总线接口芯片9054及其应用[J]. 黄身锞. 世界电子元器件. 2006(06)
[7]基于WinDriver工具的PCI卡驱动程序开发[J]. 张增辉,沈激,陈子瑜,韦东山. 核电子学与探测技术. 2006(03)
[8]用DriverWorks开发PCI设备的WDM驱动程序[J]. 孟华. 信息与电子工程. 2006(02)
[9]基于PCI总线数据通信卡WDM驱动程序设计[J]. 司玉美,申会民,耿爱辉,郭立红. 计算机测量与控制. 2006(02)
[10]PCI9054芯片接口设计中若干问题的深入研究[J]. 童鹏,吴新建. 电子技术应用. 2005(10)
硕士论文
[1]流体二维图像测速技术的研究[D]. 崔恒.大连理工大学 2006
本文编号：3653841
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本论文主要的工作
2 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的总体方案设计
2.1 图像采集系统的工作原理
2.2 图像采集卡实现方案
2.2.1 图像采集卡与计算机的接口设计方案
2.2.2 图像采集卡输入接口的设计方案
2.2.3 图像数据存储的设计方案
2.2.4 核心控制器的设计方案
2.3 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的工作原理
2.4 系统可行性论证
2.4.1 数据传输带宽
2.4.2 系统响应速度
3 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的硬件设计
3.1 FPGA最小系统
3.1.1 电源的设计
3.1.2 时钟的设计
3.1.3 PLL电源设计
3.1.4 复位电路设计
3.1.5 FPGA配置接口
3.2 PCI接口
3.2.1 PCI接口简介
3.2.2 PCI接口芯片的选型
3.2.3 PCI9054介绍
3.2.4 PCI9054接口电路设计
3.2.5 PCI9054的配置寄存器
3.3 Camera Link接口
3.3.1 Camera Link接口标准的介绍
3.3.2 LVDS技术的介绍
3.3.3 Camera Link接口芯片的选型
3.3.4 Camera Link接口电路设计
3.4 RS232串口
3.4.1 RS232串口的介绍
3.4.2 RS232串口的电平转换芯片的选型
3.4.3 RS232串口通信接口电路设计
3.5 扩展存储器设计
3.5.1 寄存器的选型
3.5.2 SDRAM接口电路设计
3.6 电路板的设计和实现
3.6.1 PCI板连接器的设计
3.6.2 电路板的技术指标
3.6.3 PCB的设计
4 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的软件设计
4.1 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的驱动程序设计
4.1.1 WDM简介
4.1.2 驱动程序开发工具的选择
4.1.3 驱动程序的设计与实现
4.1.4 驱动程序安装
4.2 基于FPGA的嵌入式图像采集处理卡的应用程序
4.2.1 与WDM驱动程序通信的上层应用程序
4.2.2 进行相机模式设置的串口通信程序
4.3 FPGA内部逻辑结构
4.3.1 时钟管理设计
4.3.2 PCI总线仲裁器
4.3.3 SDRAM控制器
4.3.4 相机模式配置模块
4.3.5 相机触发和激光器触发模块
4.3.6 图像采集控制模块
4.3.7 图像预处理模块
4.4 FPGA内部逻辑调试结果及分析
4.4.1 调试工具
4.4.2 PCI仲裁器调试结果分析
4.4.3 SDRAM控制器调试结果分析
4.4.4 相机模式配置模块调试结果分析
4.4.5 相机触发和激光器触发模块调试结果分析
4.4.6 图像采集控制模块调试结果分析
5 图像采集卡嵌入图像增强算法
5.1 图像增强
5.1.1 图像增强算法理论
5.1.2 本论文的图像增强算法
5.2 图像增强算法的FPGA实现
5.2.1 FPGA算法的VHDL实现
5.2.2 FPGA算法调试结果分析
5.2.3 图像增强的结果分析
结论
参考文献
附录A 相关程序段
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]LVDS接口原理和标准及在平板显示系统中的应用[J]. 张涛,舒林锋,郑冬军,王婧. 计算机与数字工程. 2007(09)
[2]基于FPGA的图像增强处理系统的设计与实现[J]. 韩娟娟,邓文怡,娄小平. 微计算机信息. 2007(26)
[3]基于PCI总线运动控制卡WDM驱动程序设计[J]. 陈富章,李伟光,高严松,唐文媛. 微计算机信息. 2007(19)
[4]基于EP1C3T144的最小系统开发板的设计[J]. 章丽萍,周凤星. 武汉科技大学学报(自然科学版). 2007(03)
[5]基于FPGA器件的RS232—C接口设计及其扩展[J]. 陈炳权. 攀枝花学院学报. 2006(05)
[6]PCI总线接口芯片9054及其应用[J]. 黄身锞. 世界电子元器件. 2006(06)
[7]基于WinDriver工具的PCI卡驱动程序开发[J]. 张增辉,沈激,陈子瑜,韦东山. 核电子学与探测技术. 2006(03)
[8]用DriverWorks开发PCI设备的WDM驱动程序[J]. 孟华. 信息与电子工程. 2006(02)
[9]基于PCI总线数据通信卡WDM驱动程序设计[J]. 司玉美,申会民,耿爱辉,郭立红. 计算机测量与控制. 2006(02)
[10]PCI9054芯片接口设计中若干问题的深入研究[J]. 童鹏,吴新建. 电子技术应用. 2005(10)
硕士论文
[1]流体二维图像测速技术的研究[D]. 崔恒.大连理工大学 2006
本文编号：3653841
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