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计算全息图像数据处理与显示系统设计

作　者: 李大鹏
导　师: 杨济民
学　校: 山东师范大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: FPGA 计算全息 IIC 异步FIFO FFT LCoS ROM Verilog HDL
分类号: TN26
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着科技的发展,人们已经越来越不满足于传统的二维图像所带来的视觉效果,一直追求通过技术手段得到反映自然界事物深度感、立体感的具有视觉冲击力的三维图像。自从三维全息技术诞生以来,许多学者已为三维全息显示设计过多种实现方法。目前,主流的三维全息技术即计算全息三维显示,它是一种基于计算机和图像处理的新型的全息显示方法。与采用ASIC(专用集成电路)相比,采用FPGA(现场可编程门阵列)来设计系统主要有以下两点优势:一是能用可靠的标准部件迅速进行开发,并且在添加新的功能特性时可以更加方便灵活地修改设计系统;二是可以在开发期间或在产品生命期内随时修正错误,以保证产品性能的稳定。对于生命周期较长和产量较大的应用,有时将设计转化为ASIC专用芯片更为合适。所以FPGA相对ASIC而言,更适合于应用在需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目中。所以本设计,依托Altera公司的FPGA芯片CycloneⅢEP3C5T144C8实现图像处理和驱动控制,采用Himax的LCoS(硅基液晶反射式显示器)HX7308作为显示器,为计算全息三维显示提供数据处理和显示的硬件平台本文分为六章来阐述计算全息数据处理与显示系统。首先,在第一章绪论部分,详细分析了计算全息技术的特点,主流显示技术LCD和LCoS显示的优缺点,展示了近年来计算全息技术在国内外的发展情况及取得成果,进而阐述了基于FPGA和LCoS的计算全息三维显示技术的优势。在第二章中,本文从FPGA的工作原理,FPGA项目开发流程,以及Altera公司的FPGA/CPLD开发平台QuartusIIV9.1SP2的特性和Verilog HDL四个方面,详细介绍了项目开发的相关知识。在第三章中,本文详细分析了系统设计中的硬件构成和硬件描述语言代码的设计思路。硬件原理图部分主要包括:FPGA开发板与LCoS的接口电路部分和LCoS的供电电源部分。采用Verilog HDL和ALtera的IP核完成了代码部分的七个模块:系统顶层模块、用于存储图像数据的单口ROM模块、产生系统时钟和复位功能的PLL和系统复位模块、负责图像处理的FFT模块、作为数据缓冲器的异步FIFO模块、对LCoS进行初始化配置的ⅡC总线模块和直接驱动LCoS的行场驱动时序模块。对每个模块的实现代码作了深入分析,给出了在TimeQuest中对系统的时序约束分析过程,并附以时序分析结果。第四章中,对测量结果进行了分析,利用开发平台QuartusII中内嵌的Signal TapII逻辑分析仪和RIGOL公司的DS1302CA示波器,对系统的逻辑功能做出分析,并附图说明了详细的分析结果。第五章记录了在开发过程中用到的一些关键技术。最后,在第六章中讨论了系统设计的不足之处,提出了系统改进设想。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景  10-13
    1.1.1 全息技术的发展过程  10-11
    1.1.2 近年来国外研究现状  11-12
    1.1.3 近年来国内研究现状  12-13
  1.2 全息显示的优势  13-14
    1.2.1 全息显示技术的特点  13
    1.2.2 计算和数字全息显示技术的优势  13-14
  1.3 LCD 和LCoS 的特性对比  14-15
    1.3.1 LCD 显示技术的特点  14
    1.3.2 LCoS 显示技术的特点  14-15
  1.4 选题的意义  15-16
第二章 FPGA 技术简介  16-24
  2.1 基于查找表的FPGA 的工作原理  16-17
    2.1.1 查找表的基本结构  16
    2.1.2 基于查找表结构的FPGA 逻辑实现原理  16-17
  2.2 QuartusⅡV9.1sp2 网络版开发平台  17-19
  2.3 关于Verilog HDL 的相关知识  19-20
    2.3.1 Verilog HDL 发展进程  19
    2.3.2 Verilog HDL 描述系统时的三种抽象级  19-20
  2.4 FPGA 工程开发流程  20-24
第三章系统软硬件构成  24-38
  3.1 系统硬件原理图  24-26
    3.1.1 HX7308 驱动电路电源部分  24-25
    3.1.2 数据接口部分  25-26
  3.2 系统模块划分和各模块功能分析  26-33
    3.2.1 系统程序流程图  26
    3.2.2 系统顶层模块  26-28
    3.2.3 PLL 及系统复位模块  28
    3.2.4 单口ROM 模块  28-29
    3.2.5 异步FIFO 模块  29
    3.2.6 IIC 状态机模块  29-30
    3.2.7 行场时序控制器模块  30-31
    3.2.8 FFT 模块  31-32
    3.2.9 测试模块代码分析  32-33
  3.3 时序分析  33-38
    3.3.1 时序约束中的关键概念  33-36
    3.3.2 时序分析报告  36-38
第四章测量结果分析  38-42
  4.1 测量系统功能方案设计  38
  4.2 用内置的逻辑分析仪SignalTapII 对设计进行逻辑分析  38-40
    4.2.1 常用术语  38
    4.2.2 逻辑分析过程和结果  38-40
  4.3 系统功能测量与分析  40-42
第五章系统设计中的关键技术  42-48
  5.1 利用Excel 表格制作MIF 格式文件  42-44
  5.2 用C 语言制作MIF 格式文件  44-46
  5.3 关于QuartusIIV9.1 的programmer 不能发现JTAG 的问题  46-48
第六章总结与展望  48-49
附录  49-56
  附录1 顶层模块源代码  49-53
  附录2 修改图像文本格式的C 语言源代码  53-56
参考文献  56-59
攻读硕士学位期间发表的文章  59-60
致谢  60

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