2.毕业设计 (论文)开题报告(赵星)5

二、主要研究（设计）内容、研究（设计）思想及工作方法或工作流程 1．设计内容： 1)完成 CCD 图像传感器的图像采集。 2)对电视制式及原理进行一定的分析研究，完成对视频的编解码。 3）对 FPGA 可编程技术进行了深入、广泛的研究学习。FPGA 逻辑模块设计采用 Verilog HDL 硬件语言编写，在 Altera 公司的 Quartus II 环境下进行软件仿真。 4） 对中值滤波算法进行研究学习， 并在 FPGA 中将它们实现， 用于对图像进行平滑降噪。 2．总体设计方案 系统的总体设计方案包括硬件设计和软件设计两个方面。系统的工作原理为：系统 上电后，FPGA 通过 I 2 C 总线接口模块完成视频解码和编码芯片的初始化配置；在接到视 频 A/D 转换的中断信号后，FPGA 将转换的数字图像数据传送到 SRAM 保存；一帧图像转 换结束后 FPGA 再将 SRAM 中的数字图像传递给视频编码芯片以便在显示器上显示， 同时 开始采集下一帧图像。主要功能有：视频编解码器件的初始化，视频图像的采集存储以 及将采集的图像数据通过视频编码芯片送到显示器上显示。系统总体框架如图 1 所示。
2
空闲
写命令信号
结束 完 成所有 数 据的写操作 响应
开始
一个字节写操 作完成 写操作
没有完成所有数据的写操作
图 3 I 2 C 总线控制器状态机 系统上电后，分别将 AD 和 DA 芯片复位，因此需要对它们进行初始化配置。程序将 寄存器初始值事先存储在数组中，设置控制寄存器时，FPGA 通过 I 2 C 总线 按照 AD 或 DA 的配置地址、控制寄存器地址、寄存器值的顺序依次写入数据，完成对 AD 和 DA 的初始 化；完成串口程序。 4.2 视频数据采集 在本系统中， ADV7181 芯片输出 8 位为 CCIR-656 格式(也可根据需要配置为 16 位输 出)， 它的有效分辨率为 720×576,隔行扫描。 它输出的 数字视频数据格式如表 1 所示。
种方法,便于及时地发现设计中的错误,可以缩短系统设计周期，减少设计费用，降低风 险投入。 随着集成电路技术的进步， FPGA 的成本逐步下降， 可编程速度的显著提高， FPGA 广泛应用于芯片设计和制造及嵌入式领域。 3.主要参考文献
[1] 龚涛.基于 FPGA 的图像采集处理系统.华中科技大学硕士学位论文,2005. [2] 陈 国 柱 , 刘 涛 , 李 元 宗 . 基 于 FPGA 的 图 像 采 集 与 存 储 系 统 的 设 计 [J]. 机 械 工 程 与 自 动 化,2007,(4)44-46. [3] ADV7181B Datasheet[S]. [4] ADV7177/ADV7178Datasheet[S]. [5] Cyclone II Device Handbook,Volume [6] IDT71V424S/IDT71V424L Datasheet[S] [7] 刘韬,楼兴华.FPGA 数字电子系统设计与开发实例导航[M].北京:人民邮电出版社,2005 [8] 祝利勇.基于 FPGA 的视频运动目标检测系统.西安电子科技大学硕士学位论文,2007 [9]马建国，孟宪元.FPGA 现代数字系统设计.清华大学出版社，2010
I 2 C 完成 A/D 与 D/A
芯片的初始化配置
采集图像信息
对图像信息进行存储
图像显示
D/A 转换
对图像信息通过一定 算法进行降噪处理
图 2 软件整体方案框图 4.1 I C 总线接口模块 I 2 C 总线是 Pllilip 公司提出的一种允许芯片在简单的二线总线上工作的串行接口 和软件协议，主要用于智能集成电路和器件间的数据通信。 I 2 C 总线具有以下特征。 (1)总线仅有１根串行数据线（SDA）和１跟串行时钟线（SCL）构成同步串行接口。 (2)每个连到总线上的器件都可以由软件以唯一的地址寻址，并建立简单的主从关系， 主器件既可以作为发送器，也可以作为接受器。 (2)它是一个真正的多主总线，带有竞争检测和仲裁电路，可使多个主机任意同时发送 数据而不破坏总线上的数据信息。 (4)同步时钟允许器通过总线以不同的波特率进行通信。 (5)同步时钟可以作为停止和重新启动串行总线的握手方式。
在实际的逻辑设计中，主要的任务就是对 CCIR-656 格式的行起始标志码和行结束 标志码的判别与检测。 具体的设计如下： 27MHz 像素时钟信号 ADC_LLC 的同步控制下， 在 8 位的数字视频数据由 ADV7181 芯片不断地输入到 FPGA 芯片， FPGA 首先检测 “FF 00 00” 这三个字节，对于这三个字节的检测只需要设计一个简单的有限状态机即可实现。检测 到上述的三个字节之后，FPGA 接着检测紧随这三个字节之后的那个 未知字节，如果未
CCD 摄像头
视频编码
SRAM
FPGA 控制模块
电视机
VGA
视频解码
图 1 总体设计框图 3．硬件设计 整个硬件系统主要分为四个模块：视频解码模块、视频编码模块、显示模块、存储 器模块和 FPGA 核心控制模块。 3.1 视频编码模块 视频编码的目的是实现 A/D 转换，采用的芯片是 ADV7181,ADV7181 系统是 AD 公司 推出的一款视频编码芯片，它具有如下特点： I 2 C 总线接口，6 通道模拟视频输入，支 持 NTSC、PAL、SECAM 视频制式，支持多种模拟输入格式和多种数字输出格式。 系统上电后通过 FPGA 的 I 2 C 模块完成对 ADV7181 的初始化配置。 3.2 视频解码模块 D/A 转换采用的是 AD 公司的 ADV7177，它具有如下特点： I 2 C 接口，3 路模拟视频 输出，支持多种数字输入格式和多种模拟输出格式，用户可根据需要选择使用。 3.3 显示模块 D/A 转换后需要将信号输出到电视机上显示，此时需要用到 VGA 接口。VGA 接口就 是显卡上输出模拟信号的接口，VGA（Video Graphics Array）接口显卡所处理的信息 最终都要输出到显示器上，显卡的输出接口就是电脑与显示器之间的桥梁，它负责向显 示器输出相应的图像信号。 3.4 FPGA 核心控制模块 开发平台是 Altera DE2 开发板，它是 Altera 公司的合作伙伴友晶科技有限公司研 制的， 专门针对大学教学和研究机构开发的 FPGA 多媒体开发平台。 FPGA 核心控制模块 采用的是 Altera 公司 Cyclone II 系列的 EP2C35F672C6N，它具有较高的性价比。DE2 平台提供的主要资源有: 1）Altera Cyclone II 系列的 EP2C35F672C6N FPGA,内含 35000 逻辑单元； 2）Altera 主动串行配置器件 EPCS16 U30; 3）512KB SRAM; 4）8MB SDRAM;
西南科技大学毕业设计（论文）开题报告
学 院 姓 名 题 目 信息工程学院 赵星 专业班级 学 号 题目类型 电子 0703 20074801 应用研究
基于 FPGA 的图像采集系统设计
一．选题背景及依据（简述国内外研究现状、生产需求状况，说明选题目的、意义，列 出主要参考文献） 1.国内外研究现状 随着数字多媒体技术的不断发展， 数字图像采集技术被广泛应用于各种军用、 民用、 商用及工业生产领域中。在航天和航空领域，数字图像采集技术除了可以对月球、火星 照片进行采集之外， 还可以从遥感飞机和遥感卫星拍摄的照片中提取人工所不能发现的 大量有用情报。这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在分析中，都必须采 用很多数字图像采集方法。随着近些年来多媒体技术的发展，人们对视频信息的需求愈 来愈强烈，图像采集与处理显得越来越重要。随着微电子技术和超大规模的集成电路制 造技术的发展，现场可编程门阵列 FPGA 的出现，为提高图像处理系统各种性能提供了 新的思路和方法，图像采集系统出现巨大的发展趋势。 在国外， FPGA 在图像处理方面有着广泛的应用已经存在了十几年的时间， 在传统概 念中，FPGA 价格昂贵，设计门槛较高，多用于通信和高端工业控制领域。最近几年，低 成本 FPGA 不断推陈出新。半导体工艺的进步不仅带来 FPGA 成本的降低，还使其性能显 著提升，同时不断集成一些新的硬件资源。美国 TI 公司在数字信号处理市场上的主导 地位使得 TI 公司的图像处理平台在世界上处于领先地位。90 年代末就有比较成熟的产 品出现。 相对而言，国内图像采集系统的研制起步比较晚，但发展很快。80 年代末到 90 年 代初，中科院自动化研究所和清华大学都成功研制一系列的图像采集卡。由于图像卡体 积小、价格低、使用方便，所以很受用户欢迎。这阶段的图像卡大都开始采用大规模集 成电路甚或是专用集成电路。从 90 年代初开始，在国内，很多公司等都推出各自的 PCI 图像卡产品。随着现场可编程门阵列（FPGA）芯片集成度、运算速度的大幅度提高，价 格大幅度降低，图像采集呈现出良好的前景。作为一个平台，FPGA 显然已经非常适合于 高性能低成本的视频和图像应用。它可以帮助用户灵活定制系统，缩短产品研发和更新 换代的周期，使用户紧跟技术和市场发展潮流。 2.选题目的及意义 现今， 信息技术飞速发展， 数字图像处理技术作为数字信号处理最活跃的领域之一， 成为信息技术的研究重点。传统的图像采集卡速度慢、处理功能简单、采用分立元件、 电路非常复杂;而且可靠性差、不易调试、不能很好地满足特殊要求。近年来，随着微 电子技术和超大规模的集成电路制造技术的发展， 特别现场可编程门阵列 FPGA 的出现， 为提高图像处理系统各种性能提供了新的思路和方法。 FPGA(现场可编程门阵列)作为高 集成度的专用集成电路, 具备效率高、功耗低、集成度高、设计灵活、可编程等优点。 用户可对 FPGA 内部的逻辑模块和 I/O 模块重新配置,以实现用户所需逻辑功能。 用户把 编程数据放入 FPGA 芯片，进行在线编程,实现系统在线重构；通过软件编程把图像的采 集控制程序写入 FPGA 开发板的芯片上,通过仿真技术来进行图像的采集和处理， 采用这
5）4MB 闪存; 6）两个时钟源（50MHZ 和 27MHZ）; 7）视频 D/A 转换器 8）两个 40 脚扩展端口； 9）2*16 字节的液晶显示模块； 此外，DE2 板上还包括按键，发光二极管，电源开关等基本的资源。在该系统中， FPGA 主要完成对视频 A/D、D/A 的初始化配置和存储器的读写控制，它通过 A/D 的中断 信号完成对视频数据的采集，并将采集的数据放到存储模块中，当采集完一帧后将数据 传递给视频编码芯片并在监视器上显示同时开始采集下一帧图像.在本系统中 FPGA 采用 了 JTAG 和 AS 两种配置模式。 3.5 存储器模块 FPGA 芯片内部的 RAM 资源有限，不能存储过多的视频数据并对其进行处理，但是 DE2 板上有 512KB SRAM ,8MB SDRAM 和 1MB 的闪存，在本系统设计中，需要理由到 SRAM 芯片来辅助 FPGA 进行视频信号采集。 两片 SRAM 可以进行 16 位的数据存储， 这样 ADV7181 和 ADV7177 可以根据需要配置为 8 位或 16 位数据的工作模式，提高了系统的灵活性。 4.软件设计 本系统软件是在 Quartus II 环境下采用 Verilog HDL 语言开发完成的。主要包括： 1、AD 和 DA 芯片的初始化配置，2、视频图像的采集，3、视频图像的存储与 DA 转换。 软件的方案框图如图 2 所示。