基于DDR3的CMOS高速图像采集系统的FPGA设计与实现

第 1 章 绪论

1.1 研究目的与意义

由于人类社会的发展和科技水平的进一步提高，我们的生活越来越数字化，其中数字图像采集系统扮演了非常重要的角色。数字图像采集是指将真实世界中的模拟图像经过图像传感器转换成数字图像后，再经过计算机的传输处理，最终显示出来的过程。例如最贴近生活的照相机、医疗成像、视频通话、卫星地图等等[1]，让我们足不出户就可以看到几千公里以外的世界，方便了人们日常生活，所以对高速稳定图像采集系统的设计研究具有重要的理论意义和实际意义。

...............

1.2 国内外研究现状和发展趋势

由于西方发达国家的科技水平比较先进，而且他们很早就已经开始了对图像采集系统的研究，在理论方面和实际产品中具有较为丰富的经验和研究成果。尤其是在工业、军事、宇航等方面具有广泛应用的高帧频相机数据采集方面，国外的公司一直处于世界领先地位[7]。美国 VR 公司研发的 Phantom V642型号高速摄像机，它的最高分辨率为 2560×1600，每秒的最高拍摄帧频能够达到 1450 帧；普通 1280×1024 分辨率下，拍摄帧频高达 3780 帧/秒。在高速数据采集方面，德国 Spectrum 公司最新推出的的 M4i 系列高速数据采集卡，可实现高达 5GS/s 的采样率，并且支持 32 通道同步采集[8]。

...............

第 2 章 CMOS 图像采集系统相关技术介绍

2.1 CMOS 图像传感器简介

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)互补金属氧化物半导体图像传感器是使用制造集成电路常用的 CMOS 工艺，将像素阵列单元、放大电路、模数转换器、时序控制逻辑、信号处理单元和外部接口单元这些功能模块全部集成在一片芯片上，，从而实现图像采集的功能。CMOS 图像传感器集合了集成度高、成本低、功耗低等优点[12]，具有较广的应用范围。目前，市场上主流的图像传感器有电荷耦合元件(CCD)传感器和互补金属氧化物半导体元件(CMOS)两种[13]。CCD 图像传感器发明至今已经具有近 50年的历史，是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,具有成像质量高、低噪声等优点，然而 CCD 图像传感器的缺点是需要的功耗大、生产成本高、不易集成[14]。CMOS 图像传感器发明之初就带有低功耗、易于集成、低成本、更容易与其他芯片整合等特点，但由于它对制作技术的要求较高，当时的科技水平还不能制作出具有高性能的传感器芯片，因此没有得到广泛应用[15]。近年来，半导体集成电路技术和其制作工艺在飞速发展，CMOS 图像传感器在噪声抑制和成像质量方面的性能越来越好，近年来在数字成像领域已经获得普遍应用[16]。

...............

2.2 DDR3 SDRAM 内存介绍

DDR3 SDRAM(3rdDouble Date Rate Synchronous Dynamic Random AccessMemory)是第三代双倍速率同步动态随机存储器的缩写，其中双倍速率是指DDR3 SDRAM 可以经由时钟的上升沿和下降沿同时接收与发送数据，使得在相同的时钟周期之间获得较高的速率。DDR3 SDRAM 与前两代内存芯片相比，具有更高的工作频率、更快的存取速度和更低的功耗[28]，逐渐获得了广泛的应用。DDR3 SDRAM 的内部分为 Bank（体）、Row（行）、Column（列）三种结构，每个芯片内部由很多小内存单元组成，其中任意内存元素都通过行地址线和列地址线连接起来，从而形成存储阵列结构。

...............

第 3 章 图像采集系统的 FPGA 设计...............19

3.1 图像采集系统的器件选择................19

3.2 图像采集系统 FPGA 设计的总体结构................20

第 4 章 图像采集系统硬件验证...............41

4.1 图像采集系统的硬件组成................41

4.2 图像采集系统的硬件测试...............42

第 4 章 图像采集系统硬件验证

4.1 图像采集系统的硬件组成

本文的图像采集系统有三个部分：上位机软件、系统硬件开发板与 CMOS图像传感器芯片。上位机软件与系统硬件开发板之间的通信使用 Camera Link接口：上位机通过 Camera Link 接口的两对串行通信信号 SerTFG 和 SerTC 向系统硬件开发板发送数据采集命令和具体的工作参数，系统硬件开发板使用相同的方式返回操作结果；系统硬件开发板经由 Camera Link 接口的四对 LVDS差分数据信号和一对 LVDS 时钟信号将图像信息传输至上位机。图像传感器和FPGA 芯片相互的通信使用 spi 接口和 lvds 差分对完成：FPGA 使用 spi 总线设置 GMAX0504 芯片的工作模式和发送数据采集命令；GMAX0504 芯片通过内置的 40 对 LVDS 差分对向 FPGA 芯片发送采集到的图像数据。

...............

4.2 图像采集系统的硬件测试

存器值，设置它的工作模式为 Rolling HDR 模式，内置的模数转换器为 12bit，利用 40 对 LVDS 开始数据传输；最后通过上位机软件发送读写 SPI 操作，将通过 FPGA 程序写入的 spi 数据与从传感器读出的 spi 数据进行对比，确定是否已经通过 spi 接口将 GMAX0504 芯片设置为正确的工作模式。若发送与接收的 spi 数据相同，则可开始数据校正工作：使用 test_word 测试字对图像传感器进行数据校正，校正成功后开始发送图像采集命令。

...............