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某空间CMOS相机的FPGA软件系统设计

作　者: 原皓
导　师: 车翔玖
学　校: 吉林大学
专　业: 软件工程
关键词: 空间CMOS相机 FPGA软件图像压缩小波变换
分类号: TP751
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 33次
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内容摘要

近年来，CMOS相机作为一种新的空间遥感成像技术，已广泛应用于空间遥感和空间监测。CMOS传感器由于采用标准CMOS制造工艺，集成了AD转换以及底层驱动电路，使得CMOS图像传感器非常有利于FPAG（Field ProgrammableGate Array）即现场可编程门阵列对其像元进行操作。FPGA，是一个逻辑门阵列可编辑元件，使用者可以现场程式化。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic CellArray）的概念，内部包括内部连线（Interconnect）、可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）和输出输入模块IOB（InputOutput Block）三个部分。FPGA是以CPLD、PAL、GAL等可编辑器件为基础发展起来的，FPGA的工作状态是通过存放在片内RAM中的程序来设置的，故工作时须对片内的RAM编程。用户可通过不同的编程方式，来实现不同的配置模式。FPGA不断向高集成度、大容量、高速、低功耗、低价位的方向发展，目前最高水平的FPGA已采用65nm、11层铜布线，规模已达到330000个逻辑单元和1200个用户I/O，速度已达到550MHz，这也使得FPGA被越来越多的用于航天器电路设计中。本文进行了某空间CMOS相机的FPGA软件设计及分析研究，从CMOS图像传感器的特点和相机任务需求分析出发选用FPGA器件，来实现CMOS接口驱动、图像采集、图像缓存压缩以及数据传输功能。按照相机的功能，FPGA软件划分为CMOS时序、数据采集、图像压缩、数据输出接口、主控制等功能模块。在控制模块中，实现了对CMOS探测器的自动曝光控制；在图像压缩环节，采用了基于小波变换的CDF9/7双正交变换算法以及SPIHT编码方法实现8：1和2：1图像压缩。通过了仿真验证、静态时序分析和外景成像，表明FPGA软件功能满足要求且系统运行稳定。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第1章引言  15-20
  1.1 FPGA 的特点及其发展趋势  15-17
    1.1.1 FPGA 概述  15-16
    1.1.2 FPGA 的基本特点  16
    1.1.3 FPGA 发展趋势  16-17
  1.2 课题研究的目的和意义  17-18
  1.3 本文的研究内容  18-20
第2章图像压缩功能实现方法  20-26
  2.1 压缩设计  20
  2.2 小波变换  20-23
  2.3 SPIHT 小波系数编码算法  23-24
  2.4 Bayer 图像格式  24-26
第3章 FPGA 软件系统设计  26-44
  3.1 软件功能及架构  26-29
    3.1.1 输入接口  28
    3.1.2 输出接口  28-29
  3.2 主控制模块设计  29
  3.3 CMOS 时序模块设计  29-34
    3.3.1 遥控遥测模块设计  29-32
    3.3.2 CMOS 接口时序设计  32-34
  3.4 数据接收存储器控制模块设计  34-35
  3.5 图像压缩模块设计  35-44
    3.5.1 小波变换模块设计  35-37
    3.5.2 编码模块设计  37-42
    3.5.3 各次变换数据存储器写入控制模块设计  42-43
    3.5.4 变换后数据处理模块设计  43
    3.5.5 变换后数据写入控制模块设计  43
    3.5.6 片上存储器设计  43-44
第4章仿真验证  44-60
  4.1 主控制模块仿真  44-46
    4.1.1 复位信号产生模块 RST 仿真  44-45
    4.1.2 分频模块 clk_40M 仿真  45
    4.1.3 数传时钟信号产生模块仿真  45-46
  4.2 CMOS 时序模块仿真  46-48
    4.2.1 遥控时序仿真  46
    4.2.2 遥测时序仿真  46
    4.2.3 时序模块仿真  46-48
  4.3 数据接收存储器控制模块仿真  48-49
  4.4 图像压缩模块仿真  49-60
    4.4.1 小波变换模块仿真  49-51
    4.4.2 编码模块仿真  51-54
    4.4.3 各次变换数据存储器写入控制模块仿真  54-56
    4.4.4 变换后数据处理模块仿真  56-57
    4.4.5 变换后数据写入控制模块仿真  57-58
    4.4.6 片上存储器  58-60
第5章静态时序分析结果  60-62
  5.1 系统时钟分析结果  60
  5.2 静态时序分析结果  60-61
  5.3 资源占用情况分析结果  61-62
第6章图像压缩功能测试  62-64
  6.1 试验方法  62
  6.2 试验结果  62-64
第7章结束语  64-65
参考文献  65-67
作者简介及在校期间科研成果  67-68
致谢  68

某空间CMOS相机的FPGA软件系统设计

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