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基于FPGA红外图像预处理及采集卡控制逻辑设计

作　者: 叶林
导　师: 叶玉堂
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 图像采集 FPGA USB总线红外图像提取
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着多媒体技术发展,数字图像的采集和处理已经成为许多应用系统的核心和基础。本文阐述了基于FPGA( Field Programmable Gate Array )的图像采集卡的红外图像预处理及采集卡控制逻辑IP( Intellectual Property )设计、仿真、验证过程。本IP将用于在基于红外热图像分析的电路板检测系统的采集卡中,作为核心处理单元提取热像仪的输出图像数据并控制采集卡工作。现在市面上的数字图像采集卡价格昂贵,且大多使用PCI( Peripheral Component Interconnect )接口,使用不方便。USB2.0接口有很多突出的优点:即插即用,连接方便,传输速度快,兼容性强。它已经在诸多设备中得到了非常广泛的应用。为了配合研制具有极强的易用性和便携性,并且能够实现与红外热像仪良好匹配的具有USB2.0功能的高速数据采集卡,本文设计了采集卡的基于FPGA为核心处理单元的完整预处理与控制逻辑IP。FPGA的使用大大简化了逻辑控制电路的设计,并且由于体积小、速度快以及可编程性强等诸多优点,它是一种更灵活的可编程器件,可根据需要,在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑,研制成为满足各种不同的要求的ASIC ( Application Specific Integrated Circuit )并马上能投入使用。论文从IP设计的意义和本课题的应用背景出发,阐述了IP的设计、开发流程以及整个IP系统的组成,分析了各模块的功能,使用了新型的可编程逻辑技术,提出了一种基于Xilinx FPGA Spartan-IIE芯片的红外图像提取、逻辑控制的解决方案。论文从FPGA硬件特性和软件设计两大方面详细阐述了其开发方法和实现过程。在硬件方面,从FPGA的启动配置模式和重要信号引脚的连接设计方式入手,完成了USB( Universal Serial Bus )芯片Slave FIFO和FPGA之间、SRAM芯片与FPGA之间的接口模式。FPGA软件开发方面完成了模块状态机设计,寄存器传输级RTL( Register Transfer Level )的VerilogHDL可综合代码描述、仿真测试环境代码Testbench的编写以及仿真环境的建立。经过设计、综合、仿真和验证,本IP已经开发完成,完全满足预定目标。并且该IP具有可重配置性,能满足其他不同型号热像仪的输出分辨率需求,可根据热像仪的实际需要对分辨率进行重新配置。该IP的研制成功,为基于红外图像分析的电路板检测系统的小型化、实用化奠定了坚实的技术基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章引言  10-13
  1.1 课题背景  10-11
  1.2 论文的主要工作和内容安排  11-13
第二章基本理论  13-28
  2.1 EDA 概述  13-14
  2.2 现场可编程门阵列FPGA  14-21
    2.2.1 FPGA 体系结构  14-17
    2.2.2 FPGA 设计开发流程  17-19
    2.2.3 集成开发环境ISE  19-21
  2.3 USB 总线规范  21-24
    2.3.1 US82.0 系统拓朴结构  21
    2.3.2 USB 重要概念  21-23
    2.3.3 USB 数据传输  23-24
  2.4 异步时钟域的数据传输  24-28
第三章红外图像采集卡的软硬件系统  28-41
  3.1 SAT-HY600 红外热像仪  28-29
  3.2 CYPRESS68013A 的特性及工作原理  29-31
    3.2.1 Cypress68013A 接口电气特性  31
  3.3 FPGA 在本系统中的选用  31-34
    3.3.1 启动及配置模式选择  33-34
  3.4 SRAM 存储芯片介绍  34-35
  3.5 固件程序设计  35-38
    3.5.1 固件下载  37-38
  3.6 驱动程序设计  38-41
    3.6.1 Windows XP 操作系统驱动  38-39
    3.6.2 驱动程序的层次结构  39-41
第四章红外图像预处理及控制逻辑设计的FPGA 实现  41-64
  4.1 红外图像预处理及控制逻辑系统  41-42
  4.2 状态机设计  42-54
    4.2.1 红外图像有效像元提取模块  44-49
    4.2.2 实现USB 芯片从工作方式同步写FIFO 操作模块  49-54
  4.3 计数器设计  54-59
    4.3.1 实现SRAM 读写操作  57-59
  4.4 设计问题分析与解决  59-63
  4.5 红外图像预处理及控制逻辑系统的FPGA 实现  63-64
第五章仿真、验证  64-75
  5.1 仿真、验证基础  64-65
  5.2 整个系统的仿真、验证  65-72
  5.3 在片验证调试  72-75
    5.3.1 ChipScope Pro 综述  72-73
    5.3.2 验证调试  73-75
第六章结论  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-80
作者攻硕期间取得的成果  80-81

基于FPGA红外图像预处理及采集卡控制逻辑设计

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