基于FPGA的圖像采集與顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的設(shè)計(jì)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展。FPGA憑借其豐富的片內(nèi)資源和固有的并行處理能力，在數(shù)字信號(hào)處理、硬件加速、汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在圖像采集與顯示系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)高速、并行的數(shù)據(jù)處理，顯著提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和性能。本文將詳細(xì)介紹一個(gè)基于FPGA的圖像采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)、模塊功能、關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)以及主控芯片的詳細(xì)型號(hào)和作用。

系統(tǒng)整體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由圖像采集子系統(tǒng)和圖像顯示子系統(tǒng)兩部分組成。圖像采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從外部攝像頭或其他圖像傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步處理；圖像顯示子系統(tǒng)則將處理后的圖像數(shù)據(jù)通過VGA接口顯示在監(jiān)視器上。

圖像采集子系統(tǒng)

圖像采集子系統(tǒng)包括RS232通信芯片、總線緩沖器、線陣電荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）傳感器、CCD緩沖放大器、CCD模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、雙口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random-Access Memory, RAM）模塊和圖像采集模塊。

1. CCD傳感器

本系統(tǒng)采用東芝公司生產(chǎn)的TCD2566BFG彩色線陣圖像傳感器。該傳感器靈敏度高、暗電流小，通過兩相5V時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，含有3行彩色光電二極管陣列與1行黑白光電二極管陣列，每行陣列中光電二極管數(shù)量為5340個(gè)。

2. 驅(qū)動(dòng)模塊

圖像采集模塊的核心功能是驅(qū)動(dòng)CCD傳感器。該模塊接收外部指令，配置CCD的行頻和每英寸點(diǎn)數(shù)（Dots Per Inch, DPI），并產(chǎn)生CCD時(shí)鐘脈沖與控制信號(hào)。在驅(qū)動(dòng)CCD傳感器前，需在驅(qū)動(dòng)子模塊內(nèi)設(shè)置好CCD的行頻與DPI。

3. 信號(hào)傳輸與處理

CCD傳感器產(chǎn)生的模擬圖像信號(hào)經(jīng)過緩沖放大器傳輸至CCD專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9945。AD9945完成圖像信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采集到的一行數(shù)字圖像信號(hào)寫入片內(nèi)雙口RAM中。

圖像顯示子系統(tǒng)

圖像顯示子系統(tǒng)包括同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM）、視頻解碼芯片、VGA監(jiān)視器、圖像緩存模塊和圖像顯示模塊。

1. SDRAM

本系統(tǒng)采用Hynix公司生產(chǎn)的HY57V64820HG芯片，位寬8bit，內(nèi)含4個(gè)Bank，總存儲(chǔ)空間為64MB，用于緩存雙口RAM輸出的圖像信號(hào)。

2. 視頻解碼芯片

視頻解碼芯片采用Analog Devices公司生產(chǎn)的ADV7123KSTZ140，最高數(shù)據(jù)吞吐率為330MS/s，可將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的模擬圖像信號(hào)。

3. 顯示模塊

圖像緩存模塊與圖像顯示模塊協(xié)同工作，將緩存的圖像數(shù)據(jù)按照VGA時(shí)序送至VGA監(jiān)視器顯示。

主控芯片型號(hào)及作用

FPGA型號(hào)

1. Altera Cyclone III EP3C5E144C8

• 作用：作為系統(tǒng)的主控芯片，負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的采集、緩存與顯示的整體控制。該芯片內(nèi)含5136個(gè)邏輯單元（LE）、46個(gè)M9K Block RAM、23個(gè)乘法器，以及414K片內(nèi)RAM，能夠滿足系統(tǒng)對(duì)高性能計(jì)算和大容量存儲(chǔ)的需求。

• 應(yīng)用：在圖像采集模塊中，F(xiàn)PGA通過驅(qū)動(dòng)子模塊配置CCD傳感器的行頻和DPI，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖與控制信號(hào)。在圖像顯示模塊中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)將緩存的圖像數(shù)據(jù)按照VGA時(shí)序送至監(jiān)視器顯示。

2. Xilinx A7

• 作用：另一種常用的FPGA型號(hào)，適用于圖像采集及顯示系統(tǒng)。通過Vivado開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭信號(hào)的采集、圖像數(shù)據(jù)的緩存（FIFO和DDR3）以及LCD屏的驅(qū)動(dòng)。

• 應(yīng)用：在基于MT9V034攝像頭的系統(tǒng)中，Xilinx A7 FPGA通過接收攝像頭采集的模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過FIFO和DDR3進(jìn)行緩存，最終驅(qū)動(dòng)LCD屏顯示圖像。

其他關(guān)鍵芯片型號(hào)及作用

1. CCD傳感器：東芝TCD2566BFG

• 作用：作為圖像采集的核心部件，將外部光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)。

• 特點(diǎn)：高靈敏度、低暗電流、兩相5V時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，含有3行彩色光電二極管陣列與1行黑白光電二極管陣列。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：AD9945

• 作用：將CCD傳感器產(chǎn)生的模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)。

• 特點(diǎn)：高速、高精度，適用于圖像采集系統(tǒng)。

3. SDRAM：Hynix HY57V64820HG

• 作用：作為圖像數(shù)據(jù)的緩存，存儲(chǔ)從雙口RAM輸出的圖像信號(hào)。

• 特點(diǎn)：8bit位寬，4個(gè)Bank，總存儲(chǔ)空間64MB，滿足系統(tǒng)對(duì)大容量存儲(chǔ)的需求。

4. 視頻解碼芯片：Analog Devices ADV7123KSTZ140

• 作用：將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的模擬圖像信號(hào)。

• 特點(diǎn)：最高數(shù)據(jù)吞吐率330MS/s，適用于高分辨率圖像顯示。

5. 串口通信芯片：MAXIM MAX3232

• 作用：實(shí)現(xiàn)FPGA與外部設(shè)備（如PC）之間的串口通信。

• 特點(diǎn)：低功耗、高速率，適用于數(shù)據(jù)傳輸和配置。

系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

圖像采集模塊設(shè)計(jì)

1. 驅(qū)動(dòng)子模塊

驅(qū)動(dòng)子模塊負(fù)責(zé)配置CCD傳感器的行頻和DPI，并產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖與控制信號(hào)。通過單口RAM加載.mif文件進(jìn)行初始化，在不同的地址預(yù)存不同的配置信息。用戶通過RS232子模塊發(fā)送讀取地址，驅(qū)動(dòng)子模塊據(jù)此向CCD傳感器發(fā)送不同頻率的時(shí)鐘脈沖。

2. 信號(hào)傳輸與處理

CCD傳感器產(chǎn)生的模擬圖像信號(hào)經(jīng)過緩沖放大器傳輸至AD9945模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD9945完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將采集到的一行數(shù)字圖像信號(hào)寫入片內(nèi)雙口RAM中。

圖像顯示模塊設(shè)計(jì)

1. 圖像緩存模塊

圖像緩存模塊使用SDRAM緩存雙口RAM輸出的圖像信號(hào)。當(dāng)緩存的圖像數(shù)據(jù)達(dá)到VGA一幀的數(shù)據(jù)量時(shí)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送至視頻解碼芯片進(jìn)行顯示。

2. 圖像顯示模塊

圖像顯示模塊通過視頻解碼芯片ADV7123KSTZ140將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為VGA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序的模擬圖像信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)VGA監(jiān)視器顯示圖像。

DDR3緩存控制模塊設(shè)計(jì)

DDR3緩存控制模塊是連接圖像采集子系統(tǒng)和圖像顯示子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。它負(fù)責(zé)將從視頻流采集模塊接收到的圖像數(shù)據(jù)高效地寫入DDR3內(nèi)存，并在需要時(shí)從DDR3內(nèi)存中讀取這些數(shù)據(jù)以供顯示。DDR3接口設(shè)計(jì)包括物理接口設(shè)計(jì)、控制邏輯設(shè)計(jì)和內(nèi)存管理策略。

1. 物理接口設(shè)計(jì)

DDR3的物理接口包括時(shí)鐘信號(hào)（CK和CK#）、控制信號(hào)（如RAS#、CAS#、WE#、CS#等）和數(shù)據(jù)信號(hào)（DQ和DQS）。這些信號(hào)需要通過專用的DDR3控制器IP核進(jìn)行連接和配置。

2. 控制邏輯設(shè)計(jì)

控制邏輯主要包括命令生成、地址生成和數(shù)據(jù)傳輸控制。命令生成負(fù)責(zé)根據(jù)內(nèi)存管理策略生成必要的讀寫命令；地址生成負(fù)責(zé)生成訪問DDR3的起始地址和遞增地址；數(shù)據(jù)傳輸控制確保數(shù)據(jù)在正確的時(shí)鐘周期內(nèi)從FPGA的I/O口傳輸?shù)紻DR3接口。

3. 內(nèi)存管理策略

內(nèi)存管理策略包括緩存策略、頁(yè)管理和數(shù)據(jù)一致性檢查。緩存策略決定了何時(shí)將數(shù)據(jù)從DDR3讀取到FPGA的局部存儲(chǔ)（如Block RAM）中，以及何時(shí)將數(shù)據(jù)寫回DDR3。頁(yè)管理涉及DDR3的頁(yè)面開閉操作，以減少訪問延遲。數(shù)據(jù)一致性檢查確保在并發(fā)讀寫操作中數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

以下是一段示例代碼，用于實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部FIFO的讀寫控制邏輯。該FIFO用于同步外部輸入的數(shù)據(jù)和FPGA內(nèi)部邏輯。

module fifo_controller(

input clk,

input rst_n,

input [7:0] data_in,

input fifo_full,

output reg fifo_wr_en,

output reg fifo_rd_en,

output reg [7:0] data_out

);



// FIFO讀寫控制邏輯  

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  

if (!rst_n) begin  

fifo_wr_en <= 1'b0;

fifo_rd_en <= 1'b0;

end else begin  

// 寫入控制邏輯  

if (!fifo_full) begin  

fifo_wr_en <= 1'b1; // 當(dāng)FIFO未滿時(shí)寫入  

end else begin  

fifo_wr_en <= 1'b0;

end  



// 讀取控制邏輯（簡(jiǎn)化版，實(shí)際應(yīng)更復(fù)雜）  

if (/* 讀取條件 */) begin  

fifo_rd_en <= 1'b1; // 讀取條件滿足時(shí)讀取  

end else begin  

fifo_rd_en <= 1'b0;

end

// 數(shù)據(jù)輸出邏輯  

if (fifo_rd_en) begin  

// 假設(shè)有一個(gè)fifo_data_out信號(hào)從FIFO中讀取數(shù)據(jù)  

data_out <= fifo_data_out; // 將FIFO輸出的數(shù)據(jù)賦值給data_out  

end  

// 注意：實(shí)際使用時(shí)，fifo_data_out信號(hào)應(yīng)由FIFO IP核提供，  

// 并且需要處理讀取延遲和同步問題。  

end  

end  



// FIFO IP核的實(shí)例化（假設(shè)使用了一個(gè)現(xiàn)成的FIFO IP核）  

// 注意：這里的FIFO_IP_CORE是一個(gè)占位符，實(shí)際使用時(shí)需要替換為具體的FIFO IP核實(shí)例。  

FIFO_IP_CORE fifo_inst (

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.din(data_in),

.wr_en(fifo_wr_en),

.rd_en(fifo_rd_en),

.full(fifo_full),

.dout(fifo_data_out), // 假設(shè)FIFO IP核有一個(gè)dout輸出端口  

// 其他可能的信號(hào)，如empty、used_w等，根據(jù)具體FIFO IP核的接口定義來連接  

);



endmodule

注意：上面的代碼是一個(gè)簡(jiǎn)化的示例，用于說明FIFO讀寫控制邏輯的基本框架。在實(shí)際應(yīng)用中，F(xiàn)IFO IP核的接口定義和信號(hào)名稱可能會(huì)有所不同，因此需要根據(jù)具體的FIFO IP核文檔進(jìn)行修改。此外，讀取條件（/* 讀取條件 */）需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景來定義，可能涉及到幀同步、行同步、數(shù)據(jù)完整性檢查等多個(gè)方面。

系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)完成后，需要進(jìn)行全面的測(cè)試與驗(yàn)證，以確保系統(tǒng)的功能和性能滿足設(shè)計(jì)要求。測(cè)試與驗(yàn)證包括以下幾個(gè)方面：

1. 功能測(cè)試：驗(yàn)證系統(tǒng)能否正確采集和顯示圖像，包括色彩還原、分辨率、幀率等關(guān)鍵指標(biāo)。

2. 性能測(cè)試：測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，包括圖像采集和顯示的延遲、系統(tǒng)資源占用情況等。

3. 兼容性測(cè)試：驗(yàn)證系統(tǒng)能否與不同型號(hào)的攝像頭和顯示器兼容。

4. 壓力測(cè)試：在系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一個(gè)基于FPGA的圖像采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)架構(gòu)、模塊功能、關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)以及主控芯片的詳細(xì)型號(hào)和作用。通過合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和高效的FPGA編程，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、實(shí)時(shí)的圖像采集與顯示，為圖像處理、機(jī)器視覺等領(lǐng)域提供了有力的技術(shù)支持。未來，隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷變化，該系統(tǒng)還有很大的優(yōu)化和擴(kuò)展空間。