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基于FPGA的高帧频CMOS相机数据传输系统设计

作　者: 杜鹃
导　师: 侯宏录
学　校: 西安工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 数据传输 CMOS图像传感器 GMAC FPGA 高帧频
分类号: V247.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


现代机载综合航空电子火控系统,采用平显、下显等技术将飞控参数、雷达、导航仪表以及武器系统的各种参数和视频信息进行综合显示,大大增加了信息的显示容量,论文以用于记录某型战机机舱内飞行仪表,画面监控、舱外导弹和炮弹发射状态的视频数据的高帧频CMOS相机为研究背景,设计了高速图像数据传输系统。论文介绍了高帧频CMOS相机数据传输系统的研究背景和发展现状,并对系统的功能要求进行了分析,将整个系统分为高帧频CMOS传感器成像模块、FPGA控制模块和PHY三个部分,并对各个模块的硬件电路设计做了介绍。高帧频CMOS传感器成像模块选用Cypress公司CMOS图像传感器LUPA-300, CMOS传感器成像模块主要负责采集图像并将图像转换为数字信号,通过SPI接口传输到FPGA。论文重点研究了FPGA控制模块的设计和实现技术。FPGA控制模块的设计主要包括GMAC核的设计和Verilog硬件描述语言的实现。基于IEEE 802.3标准中对介质访问层的定义设计了GMAC核,可支持全双工和半双工模式下的1000Mb/s传输速率,提供WISHBONE总线接口和千兆介质无关接口GMII。在XILINX FPGA编辑环境ISE10.1中采用Verilog硬件描述语言完成了GMAC核的编程,并在Modelsim6.5中对GMAC核的各个功能进行了仿真。论文选用BROADCOM公司的BCM5461S,设计了PHY的外围电路。该PHY芯片支持GMII接口,与GMAC核构成千兆网卡,实现了1000Mb/s的速率传输高帧频相机图像数据。对系统进行了实验测试。在高帧频CMOS相机的分辨率为640×480,采集速率最高为250帧／秒时,实现了1000Mb/s的传输速率。结果表明该高速传输系统具有性能稳定可靠、灵活性好、实时性强等优点。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究的背景及意义  9-10
    1.1.1 高帧频图像采集系统  9-10
    1.1.2 数据传输接口  10
  1.2 国内外研究状况  10-12
  1.3 本文研究主要内容及组织结构  12-14
2 以太网协议介绍  14-30
  2.1 以太网的发展  14
  2.2 IEEE 802.3标准  14-15
  2.3 802.3 MAC基本数据帧格式  15-18
  2.4 数据发送过程  18-22
    2.4.1 延时  19-20
    2.4.2 冲突检测  20
    2.4.3 冲突处理  20-21
    2.4.4 后退算法和数据重发  21
    2.4.5 数据包触发  21
    2.4.6 载波延伸  21-22
  2.5 数据接收过程  22-24
    2.5.1 数据包处理  22-24
    2.5.2 地址识别  24
    2.5.3 帧校验序列的验证  24
    2.5.4 数据帧解封装  24
  2.6 介质无关接口  24-28
    2.6.1 MII接口  25-27
    2.6.2 GMII接口  27-28
  2.7 流量控制  28-29
  2.8 本章小结  29-30
3 高帧频CMOS相机数据传输系统设计  30-49
  3.1 高帧频CMOS相机总体设计  30-31
  3.2 千兆网卡的设计  31-33
    3.2.1 千兆网卡构成  31
    3.2.2 GMAC IP核的设计  31-33
  3.3 WISHBONE接口模块的实现  33-39
    3.3.1 WISHBONE接口  34
    3.3.2 缓存描述符(BD)  34-36
    3.3.3 FIFO  36-38
    3.3.4 数据帧的发送和接收过程  38-39
  3.4 发送模块的实现  39-41
  3.5 接收模块的实现  41-44
    3.5.1 接收状态机  42-43
    3.5.2 CRC校验  43
    3.5.3 地址识别  43-44
  3.6 GMII管理模块  44-46
    3.6.1 操作控制器子模块  44-45
    3.6.2 时钟生成子模块  45-46
    3.6.3 移位寄存器子模块  46
    3.6.4 输出控制子模块  46
  3.7 流量控制模块  46-47
  3.8 寄存器模块  47-49
4 MAC核的仿真与测试  49-59
  4.1 接收模块仿真  49-52
    4.1.1 接收状态机功能仿真  49-50
    4.1.2 CRC功能仿真  50-51
    4.1.3 接收模块仿真  51-52
  4.2 发送模块仿真  52-54
    4.2.1 发送状态机  52-53
    4.2.2 随机模块码模块  53
    4.2.3 发送模块仿真  53-54
  4.3 流量控制模块仿真  54-56
  4.4 FIFO的仿真  56
  4.5 GMAC核的仿真  56-59
5 系统硬件设计  59-70
  5.1 高帧频CMOS图像传感器  59-62
    5.1.1 LUPA-300内部结构  59-60
    5.1.2 LUPA-300的主要优点  60-61
    5.1.3 CMOS传感器外围电路设计  61-62
  5.2 PHY外围电路设计  62-64
    5.2.1 PHY芯片选型  62-63
    5.2.2 PHY硬件电路设计  63-64
  5.3 FPGA硬件电路设计  64-67
    5.3.1 FPGA芯片选型  64-65
    5.3.2 FPGA控制电路设计  65-67
  5.4 PCB设计  67-69
  5.5 本章小结  69-70
6 系统调试  70-72
  6.1 实验设备  70
  6.2 测试方法  70
  6.3 实验中遇到的问题与解决方法  70-71
  6.4 实验结果  71-72
7 结论  72-73
参考文献  73-76
攻读硕士学位期间发表的论文  76-77
致谢  77-80
附录  80-87

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 计算装置 > 数据处理和回收装置
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