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基于FPGA的电子倍增CCD图像采集传输系统的实现

作 者: 徐濛
导 师: 何伟基
学 校: 南京理工大学
专 业: 光学工程
关键词: 微光夜视 电子倍增CCD 图像采集 千兆以太网传输
分类号: TP274.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 27次
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内容摘要


电子倍增CCD作为新型的微光CCD,采用片上倍增技术,使信号在读出噪声加入之前就倍增,大大提高了其信噪比,同时由于电子倍增CCD的读出噪声不随信号读出频率的增加而增大,使得电子倍增CCD可以快速成像。电子倍增CCD拥有很高的信噪比和灵敏度,且体积小,功耗低,寿命长,能快速成像,这些优点使得电子倍增CCD在微光夜视领域具有广泛的应用。本文根据电子倍增CCD的驱动频率和系统传输带宽的要求,研制了一种基于FPGA的图像采集传输系统。该系统以FPGA作为主控芯片,设计了电子倍增CCD的图像采集转换控制模块,电子倍增CCD的增益调节控制模块,千兆以太网的数据发送和接收模块。实现了电子倍增CCD的增益和积分时间的调节,电子倍增CCD的图像采集,图像信号的A/D转换,图像数据的传输。在电脑终端利用多线程操作和套接字编程,编写了基于对话框界面的上位机程序,实现了图像数据的接收、显示、存储和电子倍增CCD相关参数的发送。通过调试,本文设计的电子倍增CCD图像采集传输系统成像清晰低噪,运行稳定,增益和积分时间调节效果明显,能进行全双工通信,电子倍增CCD图像信号的读出频率为12.5MHz,以太网传输带宽为193.1Mbit,系统具有实时成像的能力。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-11
  1.1 研究背景与意义  8-9
    1.1.1 电子倍增CCD研究背景与意义  8
    1.1.2 采用FPGA进行设计的意义  8-9
  1.2 国内外研究及发展现状  9
    1.2.1 电子倍增CCD的国内外研究现状  9
    1.2.2 FPGA的发展现状  9
  1.3 论文组织结构  9-11
2 电子倍增CCD图像采集传输系统总体设计  11-15
  2.1 系统总体设计方案  11-12
  2.2 系统框图  12-13
  2.3 系统介绍  13-15
3 电子倍增CCD图像采集模块  15-35
  3.1 电子倍增CCD芯片TC253SPD-30  15-21
    3.1.1 TC253SPD-30芯片结构  15-16
    3.1.2 TC253SPD-30工作过程  16-17
    3.1.3 TC253SPD-30管脚功能说明  17-18
    3.1.4 TC253SPD-30驱动时序分析  18-21
  3.2 AD芯片AD9945  21-26
    3.2.1 AD9945管脚功能说明  21-22
    3.2.2 AD9945工作过程  22-23
    3.2.3 AD9945寄存器设置  23-25
    3.2.4 AD9945驱动时序分析  25-26
  3.3 可变电位器芯片MAX5392  26-30
    3.3.1 MAX5392管脚功能介绍  26-27
    3.3.2 增益控制电路  27-29
    3.3.3 MAX5392的I~2C接口时序分析  29-30
    3.3.4 MAX5392的控制指令  30
  3.4 电子倍增CCD图像采集模块的FPGA实现  30-35
    3.4.1 图像采集转换控制模块  30-33
    3.4.2 增益调节控制模块  33-35
4 千兆以太网MAC模块  35-53
  4.1 以太网概述  35-40
    4.1.1 以太网体系结构  35-36
    4.1.2 UDP协议  36
    4.1.3 IP协议  36-38
    4.1.4 以太网协议  38-39
    4.1.5 CRC校验算法  39
    4.1.6 数据在TCP/IP模型下的封装解包过程  39-40
  4.2 PHY芯片88E1111  40-43
    4.2.1 MAC与PHY的接口选择及其时序分析  40-42
    4.2.2 88E1111的硬件配置  42-43
  4.3 千兆以太网MAC模块的FPGA实现  43-53
    4.3.1 跨频率域缓存模块  43-46
    4.3.2 数据封装模块  46-49
    4.3.3 88E1111发送驱动模块  49-50
    4.3.4 数据接收模块  50-53
5 上位机程序  53-61
  5.1 对话框简介  53
  5.2 多线程操作  53-54
  5.3 套接字编程  54-56
  5.4 上位机程序的实现  56-61
6 系统各模块及整体性能测试  61-74
  6.1 电子倍增CCD图像采集模块测试  61-64
    6.1.1 电子倍增CCD帧转移时序波形测试  61
    6.1.2 电子倍增CCD行转移时序波形测试  61
    6.1.3 电子倍增CCD行读出,A/D采样时序波形测试  61-62
    6.1.4 AD9945寄存器设置时序波形测试  62
    6.1.5 电子倍增CCD增益调节控制测试  62-64
  6.2 千兆以太网MAC模块测试  64-66
    6.2.1 千兆网MAC模块的发送功能测试  64-65
    6.2.2 千兆网MAC模块的接收功能测试  65-66
  6.3 上位机程序的测试  66-67
  6.4 系统整体性能测试  67-74
    6.4.1 电子倍增CCD积分时间调节测试  68-70
    6.4.2 电子倍增CCD增益调节测试  70-72
    6.4.3 千兆网带宽利用率  72-74
7 结论和展望  74-76
致谢  76-77
参考文献  77-79
附录  79-81

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统 > 数据收集和处理系统
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