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基于CMOS图像传感器的高速图像采集与传输系统的研究设计

作 者: 陈德美
导 师: 姚明海
学 校: 浙江工业大学
专 业: 电子与通信工程
关键词: CMOS图像传感器 FPGA Camera Link 图像采集与传输
分类号: TP274.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


随着高速图像采集技术的高速发展,高速图像采集与传输系统已广泛应用在科学研究、军事、交通、公共安全、机器视觉等领域。相比美、英等国家,国内在技术储备、产品类型、质量上都较落后,特别在传感器及其控制技术上与西方差距甚大,以致现阶段国内高速图像采集设备对进口依赖度很高。因此,研究高速图像采集与传输系统有非常重要的理论与现实意义。本文在详细查阅了相关文献资料的基础上对基于CMOS图像传感器的高速图像采集与传输系统进行研究与设计,主要的工作与成果如下:1.在查阅相关文献和参考资料的基础上,分析比较了CMOS图像传感器与CCD图像传感器的结构原理与性能,比较说明了CMOS图像传感器相比于CCD的更适合高速图像系统,确定了基于CMOS图像传感器的高速图像采集与传输系统的总体框架。2.系统设计采用赛普拉斯公司生产的LUPA-1300型CMOS图像传感器为成像核心,采用Xilinx公司的Spartan-6系列的FPGA为主控芯片,图像数据通过Camera Link模块进行传输。系统的时序电路采用Verilog HDL语言进行编写,实现对CMOS图像传感器的调控目的。3.搭建了系统的软硬件测试平台,实现了对系统中采集模块及传输模块关键数据,关键信号的测试。对实验结果的分析表明:本系统采用CMOS图像传感器,实现了图像采集速度快,帧频高,所成图像效果清晰稳定,分辨率达到1024×1024。同时系统针对电源及硬件布边等方面进行合理的设计与规划,使系统同时具有低功耗、控制灵活等优点。在汽车碰撞检测及工业自动化等领域中有着广泛的应用前景。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章 绪论  9-12
  1.1 课题研究背景与意义  9
  1.2 CMOS图像传感器发展现状及趋势  9-11
    1.2.1 CMOS图像传感器发展现状  9-10
    1.2.2 CMOS图像传感器的发展趋势  10-11
  1.3 主要研究内容  11
  1.4 论文的基本结构  11-12
第2章 系统的总体设计框架及原理  12-29
  2.1 图像传感器的选择  12-17
    2.1.1 CMOS与CCD图像传感器的基本原理  12-16
    2.1.2 CMOS与CCD的比较  16-17
    2.1.3 本系统中采用的图像传感器  17
  2.2 FPGA的原理、结构与设计流程  17-24
    2.2.1 FPGA工作原理  17-18
    2.2.2 FPGA芯片结构  18-21
    2.2.3 基于FPGA的开发流程  21-24
  2.3 通信模块方案选择  24-28
    2.3.1 USB传输  24-26
    2.3.2 以太网传输  26
    2.3.3 Camera Link传输  26-27
    2.3.4 本系统中采用的方案  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 系统硬件电路实现  29-57
  3.1 CMOS图像传感器驱动电路设计  29-37
    3.1.1 CMOS图像传感器的选取  29
    3.1.2 CMOS图像传感器的选取  29-34
    3.1.3 LUPA-1300图像传感器外围驱动电路设计  34-37
  3.2 FPGA I/O口连接电路和时钟电路设计  37-46
    3.2.1 Spartan-6 FPGA资源分析  37-42
    3.2.2 DDR3 SDRAM与Spartan-6 FPGA的MCB硬件设计  42-44
    3.2.3 多路高速LVDS同步数据采集电路与Spartan-6 FPGA电路设计  44-45
    3.2.4 系统时钟架构设计  45-46
  3.3 FPGA配置电路设计  46-47
  3.4 数据传输接口电路设计  47-49
  3.5 电压转换电路模块设计  49-51
  3.6 PCB设计  51-56
    3.6.1 DDR3 SDRAM的PCB布线  51-55
    3.6.2 CMOS图像传感器布线  55
    3.6.3 电源系统布线  55-56
  3.7 本章小结  56-57
第4章 系统软件设计  57-74
  4.1 系统软件开发环境介绍  57-59
    4.1.1 FPGA开发环境ISE介绍  57-58
    4.1.2 FPGA开发语言Verilog HDL简介  58-59
  4.2 系统软件部分实现的总体功能  59-60
  4.3 图像采集模块程序设计  60-72
    4.3.1 像素阵列曝光控制模块设计  60-64
    4.3.2 14通道LVDS接口并行图像接收模块设计  64-70
    4.3.3 LUPA-1300图像传感器寄存器配置模块设计  70-71
    4.3.4 图像采集模块顶层模块设计  71-72
  4.4 图像传输模块程序设计  72-73
  4.5 本章小结  73-74
第5章 系统测试及结果分析  74-77
  5.1 图像采集模块测试及分析  74-75
  5.2 图像传输模块测试及分析  75
  5.3 在金属断裂系统中的应用  75-76
  5.4 本章小结  76-77
第6章 总结与展望  77-78
  6.1 工作总结  77
  6.2 工作展望  77-78
参考文献  78-81
致谢  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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