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基于FPGA的视频采集系统设计

作　者: 王龙飞
导　师: 郎宝华
学　校: 西安工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 模具加工视频采集 FPGA 双SDRAM
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着计算机技术和图像处理技术的快速发展,视频采集的技术发展也越来越成熟,视频采集监控设备已经越来越多的应用在各个行业,它的出现为人们生产生活提供了相当多的便利,比如交通安全、机器人视觉等,已经成为社会发展必不可少的一部分,期待它在性能上有新的突破。传统的视频采集系统基本以DSP作为系统的控制芯片,但是在追求速度、精度的今天,DSP也有自身的局限性,无法进行并行处理数据,所以速度很难有提升的空间。我们必须在借鉴传统方法的基础上尝试新的突破。本文详细的介绍了一种用于模具加工车间的视频采集系统,用以采集注塑模具在注塑过程中模具加工的视频图像。本系统选用FPGA芯片作为我们视频采集系统的主控制芯片,充分利用了FPGA并行处理数据的特点,实现了硬件加速,提高了视频采集和视频的传输速度。当视频图像由CCD模拟摄像头采集到后,经过SAA7113视频解码芯片将模拟视频流转换为数字视频,FPGA对数字视频进行处理后,通过双SDRAM的交替存储,最后由ADV7123数模转换将图像显示到VGA接口的显示器上。视频数据在FPGA内部也要进行相应的处理,FPGA内部由控制SAA7113的初始化及寄存器配置的12C配置模块、实现数据缓存和隔离时钟的异步FIFO模块、YUV转RGB的视频格式转换模块、SDRAM帧存储模块以及VGA控制显示模块组成。本系统主控制器的开发环境为QUARTUSⅡ9.0,采用VHDL编程语言完成FPGA内部模块的编写,通过QUARTUS的仿真功能进行验证,达到了设计初期的预定目标,能满足模具加工车间的视频采集要求,有很大的应用价值,为后续的深入研究提供了良好的平台。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 论文选题的目的和意义  10-11
  1.2 视频采集系统国内外现状及发展方向  11-12
  1.3 研究工作的主要内容和重点  12-13
  1.4 本文的内容和结构  13-14
2 FPGA技术与开发环境  14-28
  2.1 可编程逻辑器件简介  14-15
    2.1.1 可编程逻辑器件分类与特点  14-15
    2.1.2 可编程逻辑器件的发展趋势  15
  2.2 FPGA技术介绍  15-22
    2.2.1 FPGA设计流程  17-20
    2.2.2 FPGA的设计规则  20-22
  2.3 Quartus Ⅱ工具介绍  22-24
  2.4 VHDL简介  24-27
  2.5 本章小结  27-28
3 视频采集系统的硬件设计  28-47
  3.1 模拟视频  28
  3.2 数字视频  28-29
  3.3 视频信号的组成  29-30
  3.4 电视扫描原理  30-31
  3.5 硬件总体设计  31-42
    3.5.1 CCD摄像机  31-32
    3.5.2 视频解码模块的设计  32-34
    3.5.3 FPGA模块  34-35
    3.5.4 SDRAM存储器部分  35-36
    3.5.5 视频DA转换及VGA显示部分  36-39
    3.5.6 电源部分  39-40
    3.5.7 复位和时钟部分  40-42
    3.5.8 FPGA配置电路部分  42
  3.6 线路板的设计原则  42-46
    3.6.1 布局  43-44
    3.6.2 布线  44
    3.6.3 焊盘  44
    3.6.4 电路抗干扰措施  44-45
    3.6.5 退藕电容配置  45-46
  3.7 本章小结  46-47
4 FPGA视频采集预处理系统设计与实现  47-69
  4.1 FPGA系统功能框图和整体设计  47-49
  4.2 I~2C控制器的设计  49-54
    4.2.1 I~2C总线  49
    4.2.2 I~2C总线协议  49-50
    4.2.3 SAA7113的基本原理与应用  50-51
    4.2.4 I~2C模块设计  51-53
    4.2.5 仿真验证  53-54
  4.3 异步FIFO模块  54-56
    4.3.1 FIFO的重要参数  55
    4.3.2 异步FIFO模块的设计  55-56
    4.3.3 异步FIFO仿真结果  56
  4.4 视频变换模块  56-59
    4.4.1 YCbCr与RGB彩色空间变换  57-58
    4.4.2 仿真结果  58-59
  4.5 SDRAM控制模块  59-66
    4.5.1 SDRAM概述  59-61
    4.5.2 SDRAM控制器总体设计  61-64
    4.5.3 SDRAM仿真结果  64-66
  4.6 VGA显示控制模块  66-68
    4.6.1 VGA概述及时序分析  66-68
    4.6.2 水平和帧同步时序仿真结果  68
  4.7 本章小结  68-69
5 系统调试与分析  69-71
  5.1 硬件调试  69
  5.2 软件调试  69
  5.3 下载配置  69
  5.4 调试结果  69-71
6 总结与展望  71-72
参考文献  72-75
攻读硕士学位期间发表的论文  75-76
致谢  76-78

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