足球比分直播

基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf

返回
基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf_第1页
第1页 / 共62页
基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf_第2页
第2页 / 共62页
基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf_第3页
第3页 / 共62页
基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf_第4页
第4页 / 共62页
基于FPGA的图像采集系统的设计与实现.pdf_第5页
第5页 / 共62页
点击查看更多>>
资源描述:
南京理工大学硕士论文 目录目录摘j19l....IAbstractII目录III1绪论。11.1研究背景及意义.11.2国内外研究现状及发展趋势..21.2,1织物疵点自动检测系统的发展现状21.2.2实时图像系统的研究现状与发展前景21.3本文主要研究内容和章节安排.42系统总体方案设计62.1采集系统概述.62.2系统设计方案.72.2.1相机方案72.2.2处理器方案72.2.3存储器和配置电路方案.102.2.4图像传输方案.102.2.5控制器方案..1l2.3本章小结113系统硬件设计.123.1硬件框架及工作原理123.2 FPGA最小系统设计.123.2.1电源模块设计.123.2.2时钟电路设计.143.2.3配置电路设计.153.3相机接口模块设计16IⅡ目录 南京理工大学硕士论文3.3.1 C锄eralink协议介绍..16313.2 cameralink接口电路设计..173.4存储模块设计193.4.1 FLASH模块设计193.4.2 SD删模块设计203.5 EM【F接口电路设计..223.6 PCI Express总线电路设计243.6.1 PCI Express总线协议介绍.243.6.2 PEX83 1l介绍一253.6.3 PEx83 1l接口电路设计.263.6.4 EEPROM电路设计283.7 PCB设计293.8本章小结3 14 FPGA功能模块设计。324.1 FPGA功能模块划分.324.2图像采集模块324.3图像预处理模块344.3.1图像预处理介绍.3443.2图像预处理算法.344.3.3算法的FPGA实现374.4 PCI EXpress本地总线模块384.5 SOPC设计404.5.1 SOPC设计方案404.5.2 SOPC创建414.6 Nios II程序设计434.6.1 BSP文件创建.434.6.2 main程序设计.43TV南京理工大学硕士论文 目录4.6.3 DMA程序设计444.6.4 EMIF接口程序设计-454.7本章小结475测试与总结。485.1图像采集模块测试485.1.1测试图像设计.485.1.2图像采集模块时序测试.485.2图像预处理模块测试495.3 PCI Exprcss本地总线模块测试505.4综合测试505.5总结.5 1致谢53参敬献.54附录一FPGA部分代码.57附录二Nios程序部分代码。61V南京理工大学硕士论文 绪论1绪论1.1研究背景及意义纺织行业是我国轻工业的重要组成部分,是关乎国家经济增长和人民群众生活的重要行业。近年来,由于自动化技术的推动,生产效率得到了很大提升,纺织工业发展迅速。在棉纱、棉布、丝织品和服装等产量上,我国都是世界第一【11。纺织品的海外贸易收入是外汇储备的重要来源之一。但是,由于检测技术的制约,我国的纺织品质量不高,无法在国际高端市场上占有较大份额。在国内,仅有约10%的企业生产高质量产品,大部分企业的利润率不足3%【2】。因此,降低生产成本和提高产品质量成为国内纺织企业适应全球竞争的关键。纺织品的生产是大规模的流水线作业,机器故障或者工人误操作都可能导致产品出现问题,对原料、成品或半成品的检测是保障质量的关键。其中,布匹表面疵点的检测是很重要的环节。长久以来,布匹疵点依靠人工检测。这存在着很多弊端。首先,人工检测的速度不快,一般每分钟15~20米,幅宽0.8~l米。这会大大拖累整个生产线的速度。其次,人工检测的准确率不能保证。一位做工熟练且经验丰富的工人最多发现70%的疵点。此外,长时间的连续作业不仅影响工人的健康,也会导致工人注意力下降,进一步影响检测准确率【3J。上世纪60年代以来,随着软硬件平台和数据传输技术的提升,图像采集系统得到了极速发展,被应用于生物、医药、纺织、食品、航空航天等各个领域。这导致人们对图像质量和传输速度等方面有了更高的要求。在纺织品生产领域,机器视觉检测技术得到了普遍应用,基于机器视觉的自动化系统必将成为主流。采用计算机视觉对获得的布匹图像进行详细分析,不仅可以提高检测速度和质量,而且降低了劳动成本,将工人从重复劳动中解放。近几年,国外一些公司研制出了几款布匹检测设备投放市场。这些设备相比人工检测在速度和准确性方面有了很大提高,但仍不能避免错检漏检等问题。并且,这些设备成本较高,无法在我国得到推广。目前,国内大部分纺织企业仍采用传统的人工验布。因此,开发一套性能优异而成本适宜的自动化布匹检测系统有着广阔的市场背景和研究意义。本课题基于上述背景,以FPGA为控制核心,以PCI EXpress总线为传输方式,设计了一款图像采集系统。系统通过C锄era liIll【接口将图像传给可编程逻辑控制器FPGA。FPGA经过预处理后,将图像通过PCI Express总线接口发送到上位机显示。绪论 南京理工大学硕士论文1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1织物疵点自动检测系统的发展现状随着数字图像处理技术的迅猛发展,机器视觉技术在工业上开始大量应用,关于疵点检测方面的研究也取得了很多成果。各国学者对检测算法进行研究并发表了许多论文和专利。2014年,学者Guallg.HuaHu在IEEE国际会议上提出了一种使用优化的环Gabor滤波器RGF来进行面料和皮革表面缺陷检测的方法【4】。滤波器的参数是由一个模拟退火sA算法确定,这使得过滤器的频率和方向能够被调谐到的一个特定范围内,以便它可以与无缺陷的样板图像的纹理特征匹配来确定。2013年,学者Ⅵng,iIlg Zhallg和RunpiIlg Han在ICIST国际会议上提出了一种基于巴特沃斯过滤器的织物疵点检测方法15J。这一组多尺度、多方向的巴特沃斯滤波器是基于纹理面料色彩单一且结构简单的特性设计的。织物样品图像由滤波器组处理,并且过滤后的图像在频域中以不同的方向和比例标出了织物缺陷。这些滤波图像进行了二值化和图像融合,以便重构用于分隔纹理背景疵点的二进制输出图像。国外,一些公司已经成功研制了几款布匹疵点自动检测系统投入商用。例如,比利时BARcO公司的Cyclops检测系统【6】,以色列EVS公司的IQ.TEX检测系统【7】和瑞士Uster公司的Fabriscan系统【gJ0这些系统的检测速度一般为100米/分,检测宽度为l4米。系统对疵点进行实时标记,并在终端数据库中记录相关信息,以便操作员查看与分析。上述系统均造价昂贵,国内大多数纺织企业难以承受。国内对布匹检测的研究还不够成熟,投放市场的产品较少,并且与国外的系统相比在实时性和检测率上存在差距,需要进一步改进和完善。1.2.2实时图像系统的研究现状与发展前景目前,图像处理领域仍有许多挑战,最主要的就是如何实现数据的采集和高速传输。传输速度是由硬件平台、数据构成和算法复杂性等多方面因素决定的。硬件方面,图像采集板卡按图像信号源可以分为模拟和数字两类。前者需要AD转换芯片,并且有传输分辨率低和容易失真等问题,现在已经很少使用。由于数字信号抗干扰性强,传输速度快,带有数字相机的图像采集卡得到了更广泛的应用。常用的相机与板卡间的接口有LVDS,USB,IEEEl 394和CameraJink等。LvDS为低压差分信号,能够采用低电压和低电流驱动信号进行传输,因此有着较低的功耗和噪声。uSB传输速度快,能连接多设备传输,支持热插拔,但是协议实现起来比较复杂,并且只能点对点传输。IEEEl394俗称火线接口,同样支持热插拔和采用点对点同步数据传输。Cameralink是一种基于视2南京理工大学硕士论文 绪论频应用发展的接口标准。标准由Chalulel Link的技术发展而来,使数字相机和图像板卡之间的连接更加方便。CameraliIll【具有速度快,高带宽,抗噪性能好等优点一J,逐渐成为相机与采集卡之间的主流接口。随着光电传感器技术的发展,图像采集相机的分辨率越来越高,对图像系统采集和处理数据的速度要求相应提高,以FPGA为核心的硬件图像处理系统逐渐成为主流,各国学者也对此进行了大量研究。2014年,学者JiaIlgpeng wu在IcMA国际会议上介绍了其设计的一种基于FPGA的实时定位系统用于解决高速现场测试低清晰度目标的问题[1们。FPGA是系统的处理核心,捕获来自TDI.CCD线扫描相机的高清晰度图像。这是一款带有时间延迟和积分电荷耦合器件的camera Link接口相机。系统使用了两个SRAM芯片来交替地存储线性图像。一片sRAM用来存储高帧频的图像数据,另一片用来对图像进行处理和分析。该系统最终可以实现15000帧/秒实时行扫描图像数据采集和处理,每帧频为81921个像素。2013年,学者Yabuli和Yr锄aguchi在ICSSS国际会议上提出了一种视频稳定方案用在SOC实时视频系统上【11】。该方案摒弃了传统的用加速度传感器来实现的方案,因为其性能依赖于加速度传感器的精度,并且故障率较高。该设计将FPGA用作嵌入式加速器,每秒可以捕获30帧24位颜色,542496像素分辨率的实时图像并消除屏幕抖动。该方案成功地实施并通过了xiIill【xuPV5.LxllOT评估平台的评估。2013年,学者W.ang Yu等在CCC国际会议上给出了一种基于PCI04和FPGA的图像采集处理系统的设计【12J。PCI04和FPGA之间的通信是通过PCI04.PLUS总线来实现的。FPC认协处理器用来获取CMOS相机的图像和图像预处理。PCI04控制器实现了基于LSD线性检测器的特征点检测和基于颜色的C锄sllift目标跟踪算法。该图像采集处理系统的实用性表现在特征点检测颜色标记和目标跟踪算法这两个方面。随着图像数据传输速度的提高,总线技术的发展也是日新月异。目前,基于I/o总线的图像采集系统主要分2种【13J。一种是分布式采集系统,主要基于USB,RS232和IEEEl394等传输协议;另一种是板卡式采集系统,主要基于ISA,PCI,PCI Express等总线协议。usB 2.o协议在当前消费类电子产品中运用最为广泛。文献【14】、【15】中都使用了USB 2.0串行总线技术实现图像数据采集。因为其支持热插拔,使用起来灵活方便,最高理论传输速率达到480Mbps。PCI Express总线在结构上与前2代的并行结构有着根本的区别。它采用高速串行总线结构,通过数据包来传送数据。PCI EXpress总线采用点到点的互连方式,即每个端点由独立的链路连接。所有的端点独享带宽,克服了PCI总线在带宽共享和传输速度等方面的固有缺陷。根据2010年发布的PCIe 3.O标准,双向32通道的总线传输速度可以达到32GB/s。此外,PCI Express总线对PCI总线向下兼容,绪论 南京理工大学硕士论文通过特定的桥芯片可以实现两者的互连。PCI Express总线传输速度快、成本低、可靠性强,在国内外被广泛运用,许多公司都基于PCI Express总线开发相关的数据采集系统。Signatec公司推出的PⅪI系列高速数据采集卡,采用8通道PCI Express总线设计,连续传输速率达到11.2 Gb/s。AdliI衄eeh公司开发了PCIe.R1’v24图像采集卡,应用在车牌和人脸识别等图像采集领域。superTalent Tecllllolog研发了一款基于PCI Express接口的固态硬盘鼬uDDriVeII,读写速度分别为19.2 GB/s和22.4GB/s。为方便PCIE系统的设计,Xilill和Altera两大FPGA生产商都给出了相关解决方案。Xilill【公司推出了Spanall.3和virtex.5两种解决方案[16】,分别对应低成本和高性能两种需要。Altera公司则是基于其Cyclone和S仃atix两种FPGA型号给出相应解决方案。此外,PLX公司也推出了PEx8111和PEX8311等PcIE接口芯片方便用户设计。1.3本文主要研究内容和章节安排本文设计了一款以FPGA为主要处理器,利用PcI Express总线传输的图像采集系统。系统由C锄eraliIll接口获取图像数据,然后通过PCI EXpress总线传送到PC机上显示。整台验布机由传动系统、照明系统、图像采集系统、图像处理系统和控制系统组成。传动系统负责布面的清理、平整,施加一定的张力后让布匹匀速通过检测区;照明系统负责提供光源;图像采集系统负责图像数据的采集和传输;图像处理系统负责对采集系统获得的图像进行分析;控制系统负责各部分的调节控制,并对有问题的布匹打上标记。本文致力于其中的图像采集系统的研究,主要完成图像采集和图像传输的工作。本文的主要内容和成果如下1分析了布匹疵点检测和图像处理领域的现状,结合当下的发展趋势,设计了一款基于FPGA的图像采集系统,完成了整体框架和原理图的设计,并对各模块的设计作了详细说明。2完成了图像采集系统的硬件平台的搭建,包括FPGA最小系统模块、相机接口模块、存储模块、DsP接口模块和PcI EXpress总线传输模块,并用cadence软件绘制了原理图和PCB板。3完成了片上可编程系统SOPC的创建,通过在FPGA内部配置的Nios II软核,编写相应的程序完成DMA传输、DSP启动和对其他功能模块的控制。4研究了PCI EXpress相关协议,用verilog语言编写编写时序功能模块完成本地总线对工作模式的配置和数据的读写。4南京理工大学硕士论文 绪论5分析研究了常用的图像预处理算法用于图像去噪。论文的章节安排如下第一章是绪论。首先介绍了课题的研究背景和应用价值,接着分析了国内外布匹检测和图像系统的发展现状,最后给出了本文的主要内容和章节安排。第二章是系统方案设计。首先对系统的结构和本文的工作进行了介绍,再对各模块的方案作了阐述。第三章是系统硬件设计。首先简单介绍了硬件的框架和工作原理。接着具体阐述了FPGA最小系统模块、相机接口模块、存储模块、DSP接口模块和PCI EXpress总线传输模块的设计原理和电路结构。第四章是FPGA功能模块设计。首先给出了各模块的功能划分,然后对各功能模块进行了具体设计分析,包括图像采集模块、图像预处理模块和PCI Express本地总线时序模块等。在设计图像预处理模块前,分析了常用的图像预处理算法,并在manab下进行了测试对比以确定算法方案。最后本章阐述了片上可编程系统SOPC的创建和在NiosII中的程序设计。第五章对设计的模块进行了测试,并对本文的工作进行了总结。系统总体方案设计 南京理工大学硕士论文2系统总体方案设计2.1采集系统概述本文设计的是一款基于机器视觉的图像采集系统,用于工业现场的布匹疵点检测。如图2.1所示,完整的布匹疵点检测机由传动系统、照明系统、图像采集系统、图像处理系统和PC机组成。本文研究的对象是其中的图像采集系统,结构如图2.2所示。采集系统使用线阵ccD相机采集图像,相机对图像进行AD转换后,将24位图像数据传送到图像采集板卡上。板卡对图像作预处理后交给DSP进行疵点分析,判定是疵点后给机械系统发命令做上标记。同时,板卡可以将图像通过PCI Express总线传输到上位机进行显示,以便操作人员进行监测和控制。标记疵点图2.1选题背景和工作内容I配置电路l广Ll存储器l图2.2图像采集系统结构图本文工作分为2个方面。一方面完成原理图设计和PCB绘制,搭建好硬件平台;另一方面完成FPGA内部逻辑电路的设计,完成图像的采集和传输,并且创建片上控制系统,协调各硬件模块的工作。DSP的图像处理工作和PCI Express驱动程序的编写不6南京理工大学硕士论文 系统总体方案设计属于本文的工作范畴,本文只需要设计接口电路和完成相应的读写时序。2.2系统设计方案2.2.1相机方案一个好的工业摄像头是获得理想图像检测结果的保证。根据传感器结构的不同,工业相机可以分为线阵cCD相机和面阵CCD相机。面阵CCD相机获取的是二维图像,因此看起来比较直观。线阵cCD相机虽然也是二维成像,但是图像是“线”状的,即图像宽度非常小,非常适合检测布匹这种连续的材料。滚筒带动布匹匀速运动,线阵CCD相机能够对整个表面均匀检测。此外,线阵CCD相机的一维像元数和帧幅数都较高。在同等面积和分辨率下,线阵cCD相机在质量和成本上都有很大优势。本系统采用的是CV_L107CL 3CCD线扫描彩色相机。Cv-L107CL是一款3,CCD线扫描相机。它使用三个2048像素的线性传感器安装在棱镜上,分别对应红、绿、蓝三色通道。它工作在40MHz的像素时钟,最大行扫描速率可以达到每秒19047行。2.2.2处理器方案整个图像采集处理系统对实时性有较高的要求,只有精确地获取图像数据和各类控制信号,才能保证图像的完整。此外,采集过程中图像数据还需要做一些缓存或者时序逻辑控制。综合考虑,采用FPGA作为核心处理器,DSP作为辅助处理器。DSP采用的是TI公司的TMS320c6455芯片,最大工作频率为1.2GH_z。它支持64位的EMIF接口,通过该接口可与FPGA通信。本文的工作只是通过该接口给DSP传输启动程序和图像,因此这里不对DSP作详细介绍。本系统采用的FPGA是S仃atix II系列,型号为EP2S90F1020C4,其特点如下【16】①具有90960个逻辑单元;②包含M512、M4K、M一黜蝴三类&~M资源,共有约452KbitS;③具有高速DsP模块,能够为高速乘法器最高速率达到450MHz、乘法累加函数模块和FIR滤波器提供专用支持;④具有多达16个全局时钟、24个区域时钟资源和12个PLL;⑤支持数量众多的单端和差分I/o标准;⑥支持高速外部存储器,包括DDR和DDR2 SDRAM,RLD黜~M II,QDR II s毗~M,以及SDR SDRAM;⑦具有DPA电路系统支持的性能达到1.Gbps的高速差分I,0接口;⑧支持高速网络和通信总线标准,包括平行快速10、SPI.4.2和SFI.4等。
展开阅读全文
收藏
下载资源

加入会员免费下载





足球比分直播