近年來,隨著CMOS制造工藝的不斷發(fā)展,CMOS圖像傳感器以其高分辨率、高速、低功耗的優(yōu)勢開始越來越多的應用在高速圖像采集系統(tǒng)中,并對圖像采集系統(tǒng)的性能提出了更高的要求。本文通過對比分析圖像采集系統(tǒng)各部分的主要特點,設計了一款基于CMOS圖像傳感器的高速圖像采集系統(tǒng),該系統(tǒng)選用FPGA作為控制芯片,實現(xiàn)對圖像傳感器的配置及圖像數(shù)據(jù)的處理,選用DDR2完成對圖像數(shù)據(jù)的緩存,選用千兆以太網(wǎng)完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。本文主要從圖像數(shù)據(jù)的接收、圖像數(shù)據(jù)的緩存、圖像數(shù)據(jù)的傳輸三方面進行介紹,在硬件上設計了DDR2緩存硬件電路、千兆以太網(wǎng)硬件電路,并對整個系統(tǒng)的電源電路進行了詳細分析及計算。在邏輯上,將圖像傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)依次進行差分轉(zhuǎn)單端、雙沿轉(zhuǎn)單沿、同步碼判斷、串行轉(zhuǎn)并行。其次通過控制DDR2的地址信號,將圖像數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的大小寫入DDR2或者從DDR2中讀出。最后在傳輸模塊完成了對數(shù)據(jù)包的封裝和命令幀的解析,并以千兆以太網(wǎng)應用層數(shù)據(jù)幀與命令幀的結(jié)構(gòu)為基礎,設計了重傳邏輯,實現(xiàn)了有誤圖像數(shù)據(jù)的重新上傳。通過設計相關(guān)試驗,完成對圖像采集系統(tǒng)的功能驗證,包括巨型幀與標準幀的傳輸效率對比、應用層... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：68 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

幾種常見傳輸接口最大傳輸速度Figure2-1Maximumtransmissionspeedofseveralcommontransmissioninterfaces

中北大學學位論文13字節(jié)）、數(shù)據(jù)包長度（2字節(jié)）及校驗和（2字節(jié)）。在本設計中，對校驗和不做要求，設置為0，其它參數(shù)根據(jù)實際情況進行調(diào)整。2.5.2應用層數(shù)據(jù)幀協(xié)議設計（1）巨型幀應用為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率，本設計利用巨型幀技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸。巨型幀，又稱大型幀，是指有效負載超過標準以太網(wǎng)所限制的1500字節(jié)的以太網(wǎng)幀，專門為千兆以太網(wǎng)而設計，采用巨型幀技術(shù)能夠大幅度提高千兆以太網(wǎng)的傳輸效率[32]。以TCP協(xié)議和UDP協(xié)議為例，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包由實際數(shù)據(jù)以及相關(guān)的圖像協(xié)議組成，根據(jù)IEEE802.3標準，標準幀最大為1500字節(jié)，則TCP協(xié)議每包實際數(shù)據(jù)=1500-IP首部-TCP首部=1500-20-20=1460字節(jié)，以太網(wǎng)幀=1500+前導碼+起始碼+目的MAC地址+源MAC地址+協(xié)議類型=1500+7+1+6+6+2+4=1526字節(jié)，傳輸效率為1460/1526=95.67%。UDP協(xié)議每包實際數(shù)據(jù)=1500-IP首部-UDP首部=1500-20-8=1472字節(jié)，傳輸效率為1472/1526=96.46%。當采用巨型幀傳輸時，以一包為9000字節(jié)為例，TCP協(xié)議每包傳輸效率為8960/9026=99.27%，UDP協(xié)議每包傳輸效率為8972/9000=99.40%。從以上計算分析可知，巨型幀相比于普通幀，通過增加每包傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)減少包頭包尾的傳輸，具有更高的傳輸效率，因此大量應用在數(shù)據(jù)量傳輸較大的場合中。（2）數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)組織包括圖像數(shù)據(jù)、圖像狀態(tài)、幀計數(shù)、包計數(shù)等信息，根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，又分為頭包、數(shù)據(jù)包和尾包。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)組織如圖2-4所示。0-78-1516-2324-31數(shù)據(jù)幀發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)幀幀頭包計數(shù)幀計數(shù)有效數(shù)據(jù)圖2-4數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)組織Figure2-4Dataframestructureorganization

中北大學學位論文14數(shù)據(jù)幀幀頭：數(shù)據(jù)幀起始標準，設置為“0x0000”，占兩字節(jié)。幀計數(shù)：表明當前傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)所在的幀數(shù)。當一幅圖像數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，包計數(shù)清零，幀計數(shù)加1，占兩字節(jié)。數(shù)據(jù)類型：說明此幀的數(shù)據(jù)類型，占兩字節(jié)。頭包設置為“01”，數(shù)據(jù)包設置為“02”，尾包設置為“03”。包計數(shù)：表明當前傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)所在的包數(shù)，每完成一包圖像數(shù)據(jù)的傳輸均加1，占兩字節(jié)。2.5.3應用層命令幀協(xié)議設計千兆以太網(wǎng)的命令幀分為兩種，一種是普通命令幀，即計算機下發(fā)參數(shù)對采集系統(tǒng)進行配置。另一種是ARP請求幀，接下來主要對這兩種命令幀的結(jié)構(gòu)組織進行介紹。（1）ARP幀結(jié)構(gòu)組織ARP：地址解析協(xié)議，是發(fā)送方通過接收方的IP地址獲取物理地址的一個通信協(xié)議。在局域網(wǎng)中，當上位機軟件要對相機發(fā)送配置命令時，必須知道相機的IP地址，但是僅有IP地址也是不夠的，因為IP數(shù)據(jù)幀必須封裝成MAC幀才能在物理網(wǎng)絡上發(fā)送，因此發(fā)送方必須知道相機的物理地址。ARP協(xié)議就是實現(xiàn)從IP地址到物理地址的映射，上位機軟件在發(fā)送消息將含有目標IP地址的請求命令廣播到局域網(wǎng)上的所有相機，并接受ARP應答命令，以此確定相機的物理地址。ARP幀結(jié)構(gòu)組織如圖2-5所示。0-78-1516-2324-31源IP地址目標物理地址以太網(wǎng)首部（14字節(jié)）幀類型硬件類型協(xié)議類型硬件地址長度協(xié)議地址長度操作碼源物理地址源物理地址目標物理地址目標IP地址目標IP地址填充字圖2-5ARP幀結(jié)構(gòu)組織Figure2-5ARPframestructureorganization

【參考文獻】：
期刊論文
[1]卷簾數(shù)字域TDI技術(shù)的CMOS成像系統(tǒng)的SNR模型建立[J]. 張惠宇宸,賀小軍,蘇志強.  長春理工大學學報(自然科學版). 2018(04)
[2]一種基于AMBA協(xié)議的雙通道以太網(wǎng)MAC的設計與實現(xiàn)[J]. 霍衛(wèi)濤,郭蒙,廖寅龍.  信息通信. 2018(02)
[3]大數(shù)據(jù)存儲中數(shù)據(jù)完整性驗證結(jié)果的檢測算法[J]. 徐光偉,白艷珂,燕彩蓉,楊延彬,黃永鋒.  計算機研究與發(fā)展. 2017(11)
[4]CCD與CMOS圖像傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 馬精格.  電子技術(shù)與軟件工程. 2017(13)
[5]千兆以太網(wǎng)中CRC-32的并行實現(xiàn)[J]. 田野,佟皓萌.  電子設計工程. 2016(15)
[6]適于高級數(shù)TDI CMOS圖像傳感器的模擬累加器的研究[J]. 黃福軍,徐江濤,聶凱明.  南開大學學報(自然科學版). 2016(03)
[7]圖像傳感器的發(fā)展及應用現(xiàn)狀[J]. Joost Seijnaeve.  中國公共安全. 2015(12)
[8]高電壓寬范圍輸入低電壓輸出的DC-DC輔助電源設計[J]. 胡亮燈,孫馳,趙治華,艾勝.  電工技術(shù)學報. 2015(03)
[9]基于Windows 7系統(tǒng)的GigE工業(yè)相機網(wǎng)絡接口程序設計[J]. 鄭修勇,古樂野.  計算機應用. 2014(S1)
[10]基于FPGA的UDP/IP協(xié)議棧的研究與實現(xiàn)[J]. 崔鶴,劉云清,盛家進.  長春理工大學學報(自然科學版). 2014(02)

碩士論文
[1]智能相機應用軟件設計及GigE Vision協(xié)議實現(xiàn)[D]. 張仰月.南京郵電大學 2019
[2]基于CMOS傳感器的高速圖像采集裝置的研究與設計[D]. 王國忠.中北大學 2019
[3]基于千兆以太網(wǎng)的自定義協(xié)議分析及接口IP核設計[D]. 王琦.中北大學 2019
[4]EBsCMOS相機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)[D]. 高策.中國科學院大學(中國科學院國家空間科學中心) 2018
[5]基于嵌入式GPU的工業(yè)檢測智能相機系統(tǒng)硬件設計[D]. 宋俊男.浙江大學 2018
[6]基于USB3.0與FPGA的圖像采集處理系統(tǒng)研究[D]. 陳爍.深圳大學 2017
[7]基于ARM圖像采集傳輸系統(tǒng)研究[D]. 王帥輝.北方工業(yè)大學 2017
[8]基于FPGA的萬兆以太網(wǎng)與高速圖像傳輸系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D]. 李攀.西安電子科技大學 2017
[9]基于DDR3的CMOS高速圖像采集系統(tǒng)的FPGA設計與實現(xiàn)[D]. 畢然.哈爾濱理工大學 2017
[10]線性電源設計與可靠性分析[D]. 趙長偉.山東交通學院 2016



本文編號：3490620