数字图像远程光纤传输与以太网高速通信系统设计

发布时间：2020-10-18 02:41

　　 随着高速数字图像采集、图像传输技术的不断更新发展,高速数字成像系统越来越多的应用在科学研究、交通运输、医疗影像、航空航天、碰撞爆破等领域,以获取原始数字图像数据,用于后期科学处理与分析,从而加速相关领域研究与发展进程。这种大数据量的数字图像的瞬时采集、高效缓存、实时传输等将会耗费很大的处理承载、运算负担和传输带宽。因此,对高速成像系统中的关键技术进行研究与改进、进一步提升成像系统性能和稳定性尤为必要。本文选用Xilinx Kintex7高端FPGA作为主控芯片,针对高速成像系统里远距离高速率数据传输、大容量缓存、数据硬备份和上位机可靠通信四大环节,研制了数字图像信息远距离传输和通信的硬件,在Vivado软件平台下使用Verilog硬件描述语言编码、调试。本设计目标是解决高速成像系统中大数据量的远程通信、高效率传输与通信瓶颈,实现数字图像数据传输中的枢纽作用。本文主要工作包含以下几点:(1)对经典成像系统的整体架构进行剖析和分类研究,对成像系统的设计方案和功能实现进行总结学习,针对本设计的应用场景需求,选择适合的主控芯片及相关模块进行设计,对关键技术进行研究,对实现难度进行预估,确定了图像系统后端的传输与通信方案设计。该设计实现的功能是采用10Gbps SFP+光模块接收来自前端数字图像传感器采集到的图像数据,经DDR3 SDRAM缓存到本地后通过以太网通信发送至上位机,与此同时,将最后一帧图像数据存入SD卡(Flash存储器)。(2)选用Xilinx Kintex-7高端FPGA作为主控制芯片,通过对通信系统关键环节的分析研究,结合新的通信技术,参考先进的成像系统设计思想,在上一代产品的设计经验之上,确定系统中各功能模块器件的选型,完成了SFP+光纤接口模块,DDR3 SDRAM高速缓存模块,SD卡硬备份模块,上位机网络协议通信模块的设计。(3)对光纤传输理论,DDR3 SDRAM高速存储原理,SD卡存储原理,千兆以太网通信协议进行详细阐述并验证分析,使用Verilog硬件描述语言在各模块的基础理论与基本原理上进行逻辑设计与实现,在各个模块的功能均得到验证的情况下进行系统联调。本设计选用高性能、大规模FPGA(现场可编程门阵列)芯片,采用DDR3SDRAM作为缓存、SD卡形式的Flash作为硬备份,同时设计了SFP+万兆光纤数据传输、千兆以太网协议通信环节,使得高速成像系统整体功能及传输通信性能进一步增强。系统引入SFP+光模块可提供远程高速传输,为一些科研人员不方便进入现场的特殊应用场景提供便利。本文会对高速成像传输系统方案进行详细的阐述,以期能够更好表达系统的工作机制和原理,本设计还对整体及各模块进行了性能测试,测试结果将分章节呈现。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN919.8
【部分图文】：

关键技术发展及现状技术发展及现状国等发达国家的高速成像丰富的产品系列，可应用大部分用户的需求。国外较高，一般能都能达到一足较长时间拍摄需求。国代表性的高速成像系统进h 公司研发的 Phantom V6search 公司发布了一款 40率 CMOS 图像传感器，在低分辨率，最高帧频可提高用户需求，可以扩充到 5

CO（元奥仪器）公司研发的 DS4 camera developed by Germany司研发的 i-SPEED 7 相机专为高端科学研究而设计的 ix cameras 公司研发，在像点量化为 12 位，内存提供DMI 与 USB 接口，也可通国 ix cameras 公司研发的 i-SPE camera developed by British ix c

该相机提供 HDMI 与 USB 接口，也可通过以太网控制。该相机如图1.3 所示。图 1.3 英国 ix cameras 公司研发的 i-SPEED 7 相机Fig.1.3 i-SPEED 7 camera developed by British ix cameras Corporation在高速成像系统的相关研究与开发方面，国内的研究单位较少，仅有几家研究所与少部分企业，研制的成像系统种类则更少，且国内的研究单位在高速相机的研究时大多以CCD传感器为感光元件，像素分辨率普遍不高，成像速度基本都在一千帧频以下，相关技术远落后与国外同行。国内高速成像系统做的比较好的是中科院长春光机所，长光所开发了一款基于 CMOS 图像传感器 AM41V4 的相机系统，该系统在像素为 1280V×1024H 时，采集速度可达 1000fps，但无远程传输功能。不过，该系统在国内处于比较领先的地位。综上所述，同国外的高速成像控制系统比较，国内相关的研究工作属于基础入门阶段，在产品的种类与质量两方个面，国内自主研发的高速成像系统均比较落后。目前我国的高速成像系统设备基本依靠进口，但由于国外发达国家对我国先进设备的进口限制，使得我们只能高价购买，甚至无法购买使用，这直接导致相关科学研究滞后。
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本文编号：2845679