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面向高清晰成像的CCD图像传感系统控制技术研究

作　者: 李守政
导　师: 米德伶
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: CCD图像传感系统嵌入式控制技术驱动脉冲乒乓存储色彩还原
分类号: TN386.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

人类获得80%以上的信息源于视觉，而基于人类视觉原理形成的现代成像技术，在众多领域已获得了飞速的应用与发展。高清成像作为现代成像技术的重要应用之一，无论是在工业生产、智能交通领域，还是在科学研究以及军事侦察等领域，都可以看到其的身影，其对人类的生产和生活起着重要的作用。尤其是，随着集成电路的快速发展、半导体工艺的显著提高，以及新型处理器和新型传感器的不断涌现，使得高清成像技术正朝着高动态范围、高分辨率和高集成化的方向发展。在高清成像技术中，高清成像控制技术是一个以高清固体图像传感器为目标摄取单元的成像系统，可以对目标的图像信号进行采样、缓存、处理以及显示等处理。目前，国内外正在陆续对高清成像控制技术展开研究，既有采用基于通用计算机PC的通用视频图像系统控制方案，也有采用基于嵌入式系统的专用视频图像系统控制方案。后者和前者相比，不仅体积小、开发周期短、开发成本低，而且程序更新也方便，这些特点符合未来电子产品的发展趋势，能够很好地满足客户的需求。本学位论文以某高清成像系统项目为背景，选择了基于嵌入式系统的专用视频图像系统控制方案，搭建了一个以Altera公司的FPGA Cyclone II系列芯片EP2C35F484C7为核心处理器，以索尼公司生产的固体图像传感器ICX274为目标获取源的高清成像控制系统，其为后续的高清图像实时显示研究提供图像源。在该系统中，运用了ICX274的新型专用驱动器CXD3609R，可以方便快捷的产生其工作所需的驱动波形，并利用了高速CCD模拟信号处理器AD9945对ICX274图像传感器输出的模拟信号进行相双关采样、可调增益放大和模数转换。此外，还采用了乒乓缓存结构，其由两片镁光的同步动态存储器MT48LC16M16A2组成，可以对AD9945高速传输而来的图像信息进行无缝缓存和处理。本文除搭建硬件平台之外，还详细分析了系统各功能模块的功能、工作原理和数据通信格式，并在此基础上，利用硬件描述语言Verilog HDL，采用自上而下、分层的模块化设计思想，分别设计了ICX274驱动模块、AD9945采样模块、帧奇偶数判断模块、乒乓缓存控制模块、色彩还原模块以及色彩空间转化模块等，然后在开发平台Quartus II9.1上，对设计模块逐一进行综合、优化、布局布线和时序仿真验证，最后在硬件平台上进行了板级调试。仿真试验和实验测试结果表明，本论文所设计的驱动模块、采样模块、乒乓缓存模块以及其他信号处理模块都是可以正常工作的，能够满足高清成像系统工作的需要，这为后续图像的处理和实时显示的研究提供了坚实的基础。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 概述  10
  1.2 高清成像控制系统国内外的发展现状  10-14
  1.3 本课题研究的目的及意义  14-15
  1.4 本文的主要研究内容和结构安排  15-18
2 高清成像控制系统的基本原理  18-26
  2.1 CCD 信号产生的基本工作原理  18-22
    2.1.1 CCD 的结构  18
    2.1.2 CCD 的电荷注入  18-19
    2.1.3 CCD 的电荷存储  19
    2.1.4 CCD 的电荷转移  19-21
    2.1.5 CCD 的电荷检测  21-22
  2.2 CCD 的转移方式和扫描方式  22-24
    2.2.1 CCD 的转移方式  22-23
    2.2.2 CCD 的扫描方式  23-24
  2.3 CCD 输出信号所需的处理  24-25
  2.4 本章小结  25-26
3 高清成像控制系统的设计方案与开发工具  26-34
  3.1 总体设计方案  26-27
  3.2 开发工具介绍  27-32
    3.2.1 Altium Desiger 的介绍和开发流程  27-28
    3.2.2 FPGA 的介绍和开发流程  28-32
  3.3 本章小结  32-34
4 高清成像控制系统的硬件设计  34-44
  4.1 CCD 外围电路和驱动电路的设计  34-38
    4.1.1 ICX274 外围电路的设计  34-35
    4.1.2 ICX274 驱动电路的设计  35-36
    4.1.3 模数转换电路的设计  36-38
  4.2 存储电路的设计  38-40
  4.3 FPGA 相关电路的设计  40-41
    4.3.1 FPGA 配置电路  40-41
    4.3.2 时钟分配  41
    4.3.3 复位电路  41
  4.4 印制板 PCB 设计的注意地方  41-42
    4.4.1 元器件的布局原则  42
    4.4.2 PCB 的布线原则  42
  4.5 本章小结  42-44
5 高清成像控制系统的软件设计  44-72
  5.1 时钟模块  44-47
    5.1.1 锁相环的配置  44-45
    5.1.2 锁相环信号的处理  45-46
    5.1.3 系统复位信号的生成  46-47
  5.2 驱动模块  47-52
    5.2.1 CCD 时序驱动的分析  47
    5.2.2 CCD 时序驱动的实现  47-52
  5.3 模数转化模块  52-54
  5.4 帧奇偶判断模块  54-56
    5.4.1 端口的定义  54-55
    5.4.2 行数、列数和帧数的确定  55
    5.4.3 其他数据的传输  55-56
  5.5 图像存储模块  56-65
    5.5.1 乒乓结构控制部分 pingpangSDRAM  57-58
    5.5.2 存储控制部分 CCD_SDRAM  58-65
  5.6 后续图像处理模块  65-70
    5.6.1 色彩还原  65-69
    5.6.2 色彩空间转换  69-70
  5.7 本章小结  70-72
6 系统的调试与性能测试  72-82
  6.1 设计模块的仿真  72-77
  6.2 性能测试  77-80
  6.3 本章小结  80-82
7 总结与展望  82-84
致谢  84-86
参考文献  86-90
附录  90
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  90
  B. 作者在攻读学位期间参加的科研课题目录  90
  C. 系统相关的 PCB 版图  90

面向高清晰成像的CCD图像传感系统控制技术研究

内容摘要

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