第 1 章 緒論

1.1 研究目的與意義

由于人類社會(huì)的發(fā)展和科技水平的進(jìn)一步提高，我們的生活越來越數(shù)字化，其中數(shù)字圖像采集系統(tǒng)扮演了非常重要的角色。數(shù)字圖像采集是指將真實(shí)世界中的模擬圖像經(jīng)過圖像傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像后，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)的傳輸處理，最終顯示出來的過程。例如最貼近生活的照相機(jī)、醫(yī)療成像、視頻通話、衛(wèi)星地圖等等[1]，讓我們足不出戶就可以看到幾千公里以外的世界，方便了人們?nèi)粘Ｉ睿詫?duì)高速穩(wěn)定圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

由于西方發(fā)達(dá)國家的科技水平比較先進(jìn)，而且他們很早就已經(jīng)開始了對(duì)圖像采集系統(tǒng)的研究，在理論方面和實(shí)際產(chǎn)品中具有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)和研究成果。尤其是在工業(yè)、軍事、宇航等方面具有廣泛應(yīng)用的高幀頻相機(jī)數(shù)據(jù)采集方面，國外的公司一直處于世界領(lǐng)先地位[7]。美國 VR 公司研發(fā)的 Phantom V642型號(hào)高速攝像機(jī)，它的最高分辨率為 2560×1600，每秒的最高拍攝幀頻能夠達(dá)到 1450 幀；普通 1280×1024 分辨率下，拍攝幀頻高達(dá) 3780 幀/秒。在高速數(shù)據(jù)采集方面，德國 Spectrum 公司最新推出的的 M4i 系列高速數(shù)據(jù)采集卡，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 5GS/s 的采樣率，并且支持 32 通道同步采集[8]。

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第 2 章 CMOS 圖像采集系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 CMOS 圖像傳感器簡(jiǎn)介

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器是使用制造集成電路常用的 CMOS 工藝，將像素陣列單元、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、時(shí)序控制邏輯、信號(hào)處理單元和外部接口單元這些功能模塊全部集成在一片芯片上，，從而實(shí)現(xiàn)圖像采集的功能。CMOS 圖像傳感器集合了集成度高、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[12]，具有較廣的應(yīng)用范圍。目前，市場(chǎng)上主流的圖像傳感器有電荷耦合元件(CCD)傳感器和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體元件(CMOS)兩種[13]。CCD 圖像傳感器發(fā)明至今已經(jīng)具有近 50年的歷史，是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件,具有成像質(zhì)量高、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，然而 CCD 圖像傳感器的缺點(diǎn)是需要的功耗大、生產(chǎn)成本高、不易集成[14]。CMOS 圖像傳感器發(fā)明之初就帶有低功耗、易于集成、低成本、更容易與其他芯片整合等特點(diǎn)，但由于它對(duì)制作技術(shù)的要求較高，當(dāng)時(shí)的科技水平還不能制作出具有高性能的傳感器芯片，因此沒有得到廣泛應(yīng)用[15]。近年來，半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和其制作工藝在飛速發(fā)展，CMOS 圖像傳感器在噪聲抑制和成像質(zhì)量方面的性能越來越好，近年來在數(shù)字成像領(lǐng)域已經(jīng)獲得普遍應(yīng)用[16]。

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2.2 DDR3 SDRAM 內(nèi)存介紹

DDR3 SDRAM(3rdDouble Date Rate Synchronous Dynamic Random AccessMemory)是第三代雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的縮寫，其中雙倍速率是指DDR3 SDRAM 可以經(jīng)由時(shí)鐘的上升沿和下降沿同時(shí)接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，使得在相同的時(shí)鐘周期之間獲得較高的速率。DDR3 SDRAM 與前兩代內(nèi)存芯片相比，具有更高的工作頻率、更快的存取速度和更低的功耗[28]，逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用。DDR3 SDRAM 的內(nèi)部分為 Bank（體）、Row（行）、Column（列）三種結(jié)構(gòu)，每個(gè)芯片內(nèi)部由很多小內(nèi)存單元組成，其中任意內(nèi)存元素都通過行地址線和列地址線連接起來，從而形成存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)。

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第 3 章 圖像采集系統(tǒng)的 FPGA 設(shè)計(jì)...............19

3.1 圖像采集系統(tǒng)的器件選擇................19

3.2 圖像采集系統(tǒng) FPGA 設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)................20

第 4 章 圖像采集系統(tǒng)硬件驗(yàn)證...............41

4.1 圖像采集系統(tǒng)的硬件組成................41

4.2 圖像采集系統(tǒng)的硬件測(cè)試...............42

第 4 章 圖像采集系統(tǒng)硬件驗(yàn)證

4.1 圖像采集系統(tǒng)的硬件組成

本文的圖像采集系統(tǒng)有三個(gè)部分：上位機(jī)軟件、系統(tǒng)硬件開發(fā)板與 CMOS圖像傳感器芯片。上位機(jī)軟件與系統(tǒng)硬件開發(fā)板之間的通信使用 Camera Link接口：上位機(jī)通過 Camera Link 接口的兩對(duì)串行通信信號(hào) SerTFG 和 SerTC 向系統(tǒng)硬件開發(fā)板發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令和具體的工作參數(shù)，系統(tǒng)硬件開發(fā)板使用相同的方式返回操作結(jié)果；系統(tǒng)硬件開發(fā)板經(jīng)由 Camera Link 接口的四對(duì) LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)和一對(duì) LVDS 時(shí)鐘信號(hào)將圖像信息傳輸至上位機(jī)。圖像傳感器和FPGA 芯片相互的通信使用 spi 接口和 lvds 差分對(duì)完成：FPGA 使用 spi 總線設(shè)置 GMAX0504 芯片的工作模式和發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；GMAX0504 芯片通過內(nèi)置的 40 對(duì) LVDS 差分對(duì)向 FPGA 芯片發(fā)送采集到的圖像數(shù)據(jù)。

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4.2 圖像采集系統(tǒng)的硬件測(cè)試

存器值，設(shè)置它的工作模式為 Rolling HDR 模式，內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12bit，利用 40 對(duì) LVDS 開始數(shù)據(jù)傳輸；最后通過上位機(jī)軟件發(fā)送讀寫 SPI 操作，將通過 FPGA 程序?qū)懭氲?spi 數(shù)據(jù)與從傳感器讀出的 spi 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確定是否已經(jīng)通過 spi 接口將 GMAX0504 芯片設(shè)置為正確的工作模式。若發(fā)送與接收的 spi 數(shù)據(jù)相同，則可開始數(shù)據(jù)校正工作：使用 test_word 測(cè)試字對(duì)圖像傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，校正成功后開始發(fā)送圖像采集命令。

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