VHDL在高速圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

時(shí)間：2024-10-12 13:17:38 理工畢業(yè)論文我要投稿

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摘要：介紹高速圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理，講述FPGA在圖像采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的VHDL模塊設(shè)計(jì)，給出采集同步模塊的VHDL源程序。

現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)圖像采集系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的圖像采集卡速度慢、處理功能簡單，不能很好地滿足特殊要求，因此，我們構(gòu)建了高速圖像采集系統(tǒng)。它主要包括圖像采集模塊、圖像低級(jí)處理模塊以及總線接口模塊等。這些模塊是在FPGA中利用VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。高速圖像采集系統(tǒng)主要用于視覺檢測。視覺檢測中圖像處理的特點(diǎn)是：底層圖像處理數(shù)據(jù)量大，算法簡單；高層圖像處理算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，算法簡單；高層圖像處理算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量小。對(duì)于圖像底層處理，我們在高速圖像采集系統(tǒng)中用FPGA實(shí)現(xiàn)，采用VHDL編寫圖像處理算法；對(duì)于圖像高層處理，由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。由于VHDL設(shè)計(jì)靈活、編程方便，易于在FPGA中實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算和流水線結(jié)構(gòu)；所以，高速圖像采集系統(tǒng)的速度快、適應(yīng)性好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。它的輸入為標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)，用可編程視頻輸入處理器SAA7111進(jìn)行視頻信號(hào)處理。SAA7111內(nèi)部集成了強(qiáng)大的圖像色度、亮度處理功能以及多種輸出模式；有32個(gè)工作寄存器，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，必須通過FPGA1的IC2總線模塊對(duì)其進(jìn)行初始化。SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)通過FPGA芯片進(jìn)行采集與處理，采用Xilinx公司的XC2S150芯片。XC2S150是Spartan II系列產(chǎn)品。它基于Virtex系列的結(jié)構(gòu)，支持所有相關(guān)的特性，具有很高的性能價(jià)格比；采集與處理的圖像數(shù)據(jù)在傳送到計(jì)算機(jī)之前，存儲(chǔ)在高速SRAM CY7C1049V33中，SRAM的容量為512K×8bit。與計(jì)算機(jī)通常采用PCI總線，由S5933來實(shí)現(xiàn)。S5933是一種功能強(qiáng)大的PCI控制器，符合PCI2.1規(guī)范。

1.2 工作原理

系統(tǒng)復(fù)位完成FPGA程序加載后，先由FPGA1的I2C總線模塊對(duì)SAA7111初始化，初始化結(jié)束后等待采集圖像的命令。初始化成功后，SAA7111實(shí)時(shí)處理模擬視頻信號(hào)，輸出亮度和色度信號(hào)，同時(shí)輸出點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，行、場同步信號(hào)，行、場參考信號(hào)，奇偶場標(biāo)志信號(hào)等。本系統(tǒng)使用灰度圖像，沒有使用色度信號(hào)，所以數(shù)據(jù)線為8位。

系統(tǒng)采集圖像的命令由計(jì)算機(jī)發(fā)出。采集命令通過PCI總線傳輸?shù)紽PGA1，啟動(dòng)FPGA1的采集同步模塊。采集同步模塊發(fā)出采集標(biāo)志信號(hào)，采集一幀圖像，通過寫數(shù)據(jù)模塊產(chǎn)生寫地址和寫信號(hào)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM1中。采集結(jié)束時(shí)，采集標(biāo)志信號(hào)撤消，采集同步模塊復(fù)位，等待下一次采集命令。采集標(biāo)志信號(hào)撤消時(shí)，F(xiàn)PGA1開始讀取SRAM1中的圖像信息，這是通過讀數(shù)據(jù)模塊生產(chǎn)讀地址和讀信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的。FPGA1將1幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除后，存儲(chǔ)到SRAM2中，并發(fā)信號(hào)給FPGA2。FPGA2通過FPGA1讀取SRAM2中數(shù)據(jù)，經(jīng)過邊緣檢測處理后存儲(chǔ)到SRAM3中。FPGA2處理完1幀圖像數(shù)據(jù)后，將SRAM3中的圖像信息讀出傳送給S5933，然后通過PCI總線傳送到計(jì)算機(jī)中。

在圖像采集過程中，我們使用的是512×512的圖像，即一幀圖像采集512行，奇數(shù)場和偶數(shù)場各采集256行，每一行采集512個(gè)像素。因此，需要通過行延時(shí)模塊進(jìn)行行選擇，濾掉無效行，通過像素延時(shí)模塊進(jìn)行像素選擇，以選擇需要的像素。

2 圖像采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的VHDL設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中FPGA的設(shè)計(jì)是用VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。VHDL是一種應(yīng)用非常廣泛的硬件描述語言，它的語言覆蓋面廣，描述能力強(qiáng)；可以描述最抽象的系統(tǒng)級(jí)，也可以描述最精確的邏輯級(jí)、門級(jí)。

本系統(tǒng)是采用結(jié)構(gòu)化VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整個(gè)圖像采集部分是一個(gè)VHDL語言文件，包括幾個(gè)BLOCK語句。2片F(xiàn)PGA芯片個(gè)有不同的程序，其中FPGA1既包括圖像采集部分，又包括圖像處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分；FPGA2為圖像處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分以及PCI接口控制部分。2片F(xiàn)PGA時(shí)程序加載采用串行主/從模式。FPGA1采用串行主模式，F(xiàn)PGA2采用串行從模式，由FPGA1從SPROM中讀取配置數(shù)據(jù)，完成自身配置，并完成對(duì)FPGA2的配置。圖像采集與數(shù)據(jù)傳送部分的VHDL模塊主要包括Set_sample.vhd、Wr.vhd、Rd.vhd、Delay.vhd、Bus_assign.vhd等，各模塊之間通過信號(hào)相互聯(lián)系。下面分別介紹各模塊實(shí)現(xiàn)的功能。(限于篇幅，僅給出采集同步模塊的程序。)

（1）Set_sample.vhd采集同步模塊

它是圖像采集部分的一個(gè)塊語句，輸入輸出信號(hào)為：

pcicon0-IN，啟動(dòng)采集圖像信號(hào)；

vref-IN，場參考信號(hào)；

rts0-IN,奇偶場標(biāo)志信號(hào)；

sig_frame-OUT，采集同步輸出信號(hào)，高電平有效，用于圖像采集和總線管理模塊；

sig_field-OUT，采集同步場參考信號(hào)，采集1幀圖像的場參考信號(hào)。

源程序如下：

set_sample:block

signal flagct:std_logic_vector(2 downto 0）；

begin

process(pcicon0,vref)