基于ZYNQ的高速图像采集处理平台设计与验证

发布时间：2017-08-16 15:08

  本文关键词：基于ZYNQ的高速图像采集处理平台设计与验证

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【摘要】：以“制造业的智能化”为宗旨的工业4.0时代已经到来。工业4.0的核心是以智能识别、智能检测、智能互联以及智能控制等为基础的高能效的智能工厂。包含巨大信息量的图像视觉技术将为智能识别检测处理提供有力的支持。图像视觉技术的核心是高速图像采集处理,其传统工作方式是采用“后端智能化”的工作方式,即前端用摄像头采集图像,通过视频采集卡传输至后端工业电脑,进行图像分析及处理。本文基于“智能移向前端”的新趋势提出采用ZYNQ SOPC搭建分布式的高速图像采集处理平台,充分利用它集成了处理器的软件可编程性和FPGA的硬件可编程性所带来的强大系统性能,把越来越多的图像采集、处理和实时分析做到摄像头端,满足日益增长的实时性和分布式要求。针对所提出平台,本文规划验证原型,并自主完成板卡设计及运行其上的逻辑程序和软件程序开发。板卡设计部分,本文以ZYNQ SOPC为核心完成相应原理图设计,然后基于Cadence的Sigrity工具对板卡关键信号链路的信号完整性进行仿真分析和对板卡的核心模块的电源完整性进行分析验证,依据分析结果设计相应约束,然后在约束驱动下完成版图设计。系统逻辑程序开发及软件程序开发部分,基于SerDes, AXI协议等相关技术研究及工业现场要求,设计高速图像传感器接口,高速图像数据传输通道,高速图像实时显示接口等IP,采用Xilinx公司的Vivado Design Suite开发套件完成这些IP的仿真,并进一步建立基于AXI4的互联系统。然后,采用Xilinx公司的SDK开发驱动程序及应用软件,完成软硬件系统整体搭建。最后,在系统基础测试中,被测物体清晰无抖动显示在屏幕上,验证系统运行的稳定性；在测试仪表表针转速的应用试验中,当以每秒800帧的速度采集分辨率为320x240的图片时,没有发现图像错乱和丢失,并准确得出仪表转速,进一步验证图像采集处理分析的正确性。结合相应的运行于ARM或者FPGA的图像处理模块及其他控制相关模块,本平台不仅能实现图像采集处理,还能实现设备控制,从而更好的服务于工业现场。
【关键词】：ZYNQ 机器视觉 高速图像采集 LVDS 信号完整性&电源完整性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要10-11
• ABSTRACT11-13
• 第一章 绪论13-17
• 1.1 课题背景13
• 1.2 国内外研究现状13-15
• 1.3 课题来源与研究内容15
• 1.4 论文结构安排15-17
• 第二章 相关理论与关键技术17-29
• 2.1 图像采集处理核心ZYNQ介绍17-20
• 2.1.1 可编程逻辑单元PL18
• 2.1.2 处理器系统PS18
• 2.1.3 PS与PL互联18-19
• 2.1.4 存储器系统19-20
• 2.2 平台关键技术介绍20-29
• 2.2.1. 信号完整性分析20-23
• 2.2.2 电源完整性分析23-24
• 2.2.3 AXI互联协议24-29
• 第三章 高速图像采集处理平台板卡设计29-52
• 3.1 板卡原理图设计30-37
• 3.1.1 图像采集处理核心电路设计30-31
• 3.1.2 存储电路设计31-33
• 3.1.3 图像传感器电路设计33-34
• 3.1.4 显示电路接口设计34
• 3.1.5 控制接口电路设计34-35
• 3.1.6 电源电路设计35-37
• 3.2 板卡PCB设计37-52
• 3.2.1 核心板叠层结构设计与工艺要求37-39
• 3.2.2 基于电源完整性的多电源轨供电系统设计与仿真分析39-41
• 3.2.3 基于信号完整性的核心链路拓扑端接设计与仿真分析41-47
• 3.2.4 基于约束驱动的PCB布线设计47-52
• 第四章 高速图像采集处理平台核心IP设计52-75
• 4.1 高速传感器图像接口设计52-61
• 4.1.1 SelectIO简介53-54
• 4.1.2. 数据处理模块54-59
• 4.1.3 时钟分配模块59-61
• 4.2 图像数据互联通道设计61-67
• 4.2.1 图像高速缓存接口62-66
• 4.2.2 图像高速处理接口66-67
• 4.3 高速图像实时稳定显示接口设计67-75
• 4.3.1 VGA接口模块开发68-71
• 4.3.2 显示数据处理模块开发71-73
• 4.3.3 AXI接口模块开发73-75
• 第五章 高速图像采集处理平台系统搭建与测试75-85
• 5.1 系统搭建75-82
• 5.1.1 基于Vivado Design Suite的逻辑系统建立75-77
• 5.1.2 基于SDK的软件工程建立77-82
• 5.2 系统测试结果82-85
• 5.2.1 系统基本测试82-83
• 5.2.2 系统应用测试83-85
• 第六章 总结与展望85-87
• 6.1 总结85
• 6.2 未解决的问题和以后工作展望85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 攻读硕士期间发表论文及参与项目92-93
• 学位论文评阅及答辩情况表93

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本文编号：683947