發(fā)布時間：2020-10-18 02:41

　　 隨著高速數(shù)字圖像采集、圖像傳輸技術(shù)的不斷更新發(fā)展,高速數(shù)字成像系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用在科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、醫(yī)療影像、航空航天、碰撞爆破等領(lǐng)域,以獲取原始數(shù)字圖像數(shù)據(jù),用于后期科學(xué)處理與分析,從而加速相關(guān)領(lǐng)域研究與發(fā)展進(jìn)程。這種大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像的瞬時采集、高效緩存、實(shí)時傳輸?shù)葘馁M(fèi)很大的處理承載、運(yùn)算負(fù)擔(dān)和傳輸帶寬。因此,對高速成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)、進(jìn)一步提升成像系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性尤為必要。本文選用Xilinx Kintex7高端FPGA作為主控芯片,針對高速成像系統(tǒng)里遠(yuǎn)距離高速率數(shù)據(jù)傳輸、大容量緩存、數(shù)據(jù)硬備份和上位機(jī)可靠通信四大環(huán)節(jié),研制了數(shù)字圖像信息遠(yuǎn)距離傳輸和通信的硬件,在Vivado軟件平臺下使用Verilog硬件描述語言編碼、調(diào)試。本設(shè)計目標(biāo)是解決高速成像系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量的遠(yuǎn)程通信、高效率傳輸與通信瓶頸,實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸中的樞紐作用。本文主要工作包含以下幾點(diǎn):(1)對經(jīng)典成像系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行剖析和分類研究,對成像系統(tǒng)的設(shè)計方案和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)學(xué)習(xí),針對本設(shè)計的應(yīng)用場景需求,選擇適合的主控芯片及相關(guān)模塊進(jìn)行設(shè)計,對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,對實(shí)現(xiàn)難度進(jìn)行預(yù)估,確定了圖像系統(tǒng)后端的傳輸與通信方案設(shè)計。該設(shè)計實(shí)現(xiàn)的功能是采用10Gbps SFP+光模塊接收來自前端數(shù)字圖像傳感器采集到的圖像數(shù)據(jù),經(jīng)DDR3 SDRAM緩存到本地后通過以太網(wǎng)通信發(fā)送至上位機(jī),與此同時,將最后一幀圖像數(shù)據(jù)存入SD卡(Flash存儲器)。(2)選用Xilinx Kintex-7高端FPGA作為主控制芯片,通過對通信系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的分析研究,結(jié)合新的通信技術(shù),參考先進(jìn)的成像系統(tǒng)設(shè)計思想,在上一代產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)之上,確定系統(tǒng)中各功能模塊器件的選型,完成了SFP+光纖接口模塊,DDR3 SDRAM高速緩存模塊,SD卡硬備份模塊,上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通信模塊的設(shè)計。(3)對光纖傳輸理論,DDR3 SDRAM高速存儲原理,SD卡存儲原理,千兆以太網(wǎng)通信協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)闡述并驗(yàn)證分析,使用Verilog硬件描述語言在各模塊的基礎(chǔ)理論與基本原理上進(jìn)行邏輯設(shè)計與實(shí)現(xiàn),在各個模塊的功能均得到驗(yàn)證的情況下進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。本設(shè)計選用高性能、大規(guī)模FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)芯片,采用DDR3SDRAM作為緩存、SD卡形式的Flash作為硬備份,同時設(shè)計了SFP+萬兆光纖數(shù)據(jù)傳輸、千兆以太網(wǎng)協(xié)議通信環(huán)節(jié),使得高速成像系統(tǒng)整體功能及傳輸通信性能進(jìn)一步增強(qiáng)。系統(tǒng)引入SFP+光模塊可提供遠(yuǎn)程高速傳輸,為一些科研人員不方便進(jìn)入現(xiàn)場的特殊應(yīng)用場景提供便利。本文會對高速成像傳輸系統(tǒng)方案進(jìn)行詳細(xì)的闡述,以期能夠更好表達(dá)系統(tǒng)的工作機(jī)制和原理,本設(shè)計還對整體及各模塊進(jìn)行了性能測試,測試結(jié)果將分章節(jié)呈現(xiàn)。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN919.8
【部分圖文】：

關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀國等發(fā)達(dá)國家的高速成像豐富的產(chǎn)品系列，可應(yīng)用大部分用戶的需求。國外較高，一般能都能達(dá)到一足較長時間拍攝需求。國代表性的高速成像系統(tǒng)進(jìn)h 公司研發(fā)的 Phantom V6search 公司發(fā)布了一款 40率 CMOS 圖像傳感器，在低分辨率，最高幀頻可提高用戶需求，可以擴(kuò)充到 5

CO（元奧儀器）公司研發(fā)的 DS4 camera developed by Germany司研發(fā)的 i-SPEED 7 相機(jī)專為高端科學(xué)研究而設(shè)計的 ix cameras 公司研發(fā)，在像點(diǎn)量化為 12 位，內(nèi)存提供DMI 與 USB 接口，也可通國 ix cameras 公司研發(fā)的 i-SPE camera developed by British ix c

該相機(jī)提供 HDMI 與 USB 接口，也可通過以太網(wǎng)控制。該相機(jī)如圖1.3 所示。圖 1.3 英國 ix cameras 公司研發(fā)的 i-SPEED 7 相機(jī)Fig.1.3 i-SPEED 7 camera developed by British ix cameras Corporation在高速成像系統(tǒng)的相關(guān)研究與開發(fā)方面，國內(nèi)的研究單位較少，僅有幾家研究所與少部分企業(yè)，研制的成像系統(tǒng)種類則更少，且國內(nèi)的研究單位在高速相機(jī)的研究時大多以CCD傳感器為感光元件，像素分辨率普遍不高，成像速度基本都在一千幀頻以下，相關(guān)技術(shù)遠(yuǎn)落后與國外同行。國內(nèi)高速成像系統(tǒng)做的比較好的是中科院長春光機(jī)所，長光所開發(fā)了一款基于 CMOS 圖像傳感器 AM41V4 的相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在像素為 1280V×1024H 時，采集速度可達(dá) 1000fps，但無遠(yuǎn)程傳輸功能。不過，該系統(tǒng)在國內(nèi)處于比較領(lǐng)先的地位。綜上所述，同國外的高速成像控制系統(tǒng)比較，國內(nèi)相關(guān)的研究工作屬于基礎(chǔ)入門階段，在產(chǎn)品的種類與質(zhì)量兩方個面，國內(nèi)自主研發(fā)的高速成像系統(tǒng)均比較落后。目前我國的高速成像系統(tǒng)設(shè)備基本依靠進(jìn)口，但由于國外發(fā)達(dá)國家對我國先進(jìn)設(shè)備的進(jìn)口限制，使得我們只能高價購買，甚至無法購買使用，這直接導(dǎo)致相關(guān)科學(xué)研究滯后。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2845679