钱宝国基于FPGA的彩色CCD成像技术Word文档格式.docx

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田思

完成日期2011年5月

理工学院本科生毕业设计（论文）

基于FPGA的彩色CCD成像技术

硬件设计

HardwareDesignofColorCCDImagingTechnology

BasedonFPGA

总计：

毕业设计（论文）24页

表格：

1个

插图：

18幅

理工学院本科毕业设计（论文）

学院（系）：

电子与电气工程系

学生姓名：

钱宝国

学号：

94107035

指导教师（职称）：

田思（高工）

评阅教师：

完成日期：

理工学院

InstituteofTechnology

基于FPGA的彩色CCD成像技术硬件设计

电子信息工程专业钱宝国

［摘　要］本课题主要是研究基于EP1C20C6的嵌入式CCD成像系统的硬件设计，它利用FPGA强大的编程和逻辑功能，通过D/A视频编码芯片，实现简单的数码摄像机的功能。

针对系统的需求，完成CCD读出模块，视频存储模块，视频合成输出模块的设计及测试。

CCD图像传感器可以直接将光学信号转换为数字电信号。

EP1C20C6处理器主要承担系统管理，数据通信，数据加载，键盘服务等功能。

设计中用一块FPGA芯片EP1C20完成各种嵌入式存储，支持多种输入方法。

FPGA主要承担信号处理、视频合成、驱动控制、时序管理以及与EP1C20C6处理器的接口逻辑等功能。

本文详细论述了系统自上而下的设计方法及各部分硬件电路组成及EP1C20C6、FPGA的功能设计。

［关键词］成像系统；

可编程逻辑器件；

CCD

ElectronicInformationEngineeringSpecialtyQIANBao-guo

Abstract:

ThemaintopicisthestudyofcolorhardwaredesignofCCDimagingbasedonFPGAsystem,whichusesthepowerfulFPGAprogrammingandlogicfunctions,throughtheD/Avideoencoderchip,whichfeaturesasimpledigitalcamera.DemandforthesystemtocompletetheCCDreadoutmodule,videomemorymodule,videosynthesisoutputmoduledesignandtesting.CCDimagesensors,opticalsignalscanbedirectlyconvertedtoadigitalsignal.Embeddedprocessorismainlyresponsibleforsystemmanagement,datacommunication,dataloading,keyboard,servicesandotherfunctions.ThedesignofacompanywithALTERAEP1C20FPGAchiptocompleteavarietyofembeddedmemory,supportformultipleinputmethods.FPGAismainlyresponsibleforsignalprocessing,videosynthesis,drivecontrol,timing,management,andinterfacelogicandembeddedprocessorsandotherfunctions.Thisarticlediscussesindetailthesystemandthepartoftop-downdesignmethodofhardwarecircuitdesignandFPGAfeatures.

Keywords:

Imagingsystem;

pogrammablelogicdevice;

CCD

目　　录

1引言…………………………………………………………………………………….…...1

1.1课题的设计背景及意义............................................................................................1

1.2成像系统的简介……………………………………………………………………1

1.3总体方框图…………………………………………………………….................2

1.4本文的主要工作……………………………………………………………………2

2CCD器件介绍及成像原理………………………………………………………………....2

2.1CCD基本概念和特点………………………………………………………………2

2.2CCD器件的成像原理................................................................................................4

2.2.1CCD器件的基本结构及性能参数................................................................4

2.2.2CCD器件的工作原理………………………………………………………5

2.2.3彩色图像采集的实现……………………………………………………...8

3硬件电路设计........................................................................................................................9

3.1FPGA主控模块……………………………………………………………………..9

3.1.1基于FPGA嵌入IP的SOPC系统………………………………………….9

3.1.2可编程片上系统（SOPC）系统……………………………………………10

3.1.3FPGA的主控电路…………………………………………………….........11

3.1.4EP1C20的性能………………………………………………….................13

3.1.5主控电路…………………………………………………………………..14

3.2外围电路设计……………………………………………………………………...15

3.2.1视频转换模块...............................................................................................15

3.2.2其他电路…………………………………………………………………...17

3.3CCD驱动电路设计………………………………………………………………...20

4实验测试及误差分析……………………………………………………………………...21

4.1硬件调试…………………………………………………………………………...21

4.2软件调试………………………………………………………………………...21

结束语………………………………………………………………………………………..22

参考文献……………………………………………………………………………………..23

致谢…………………………………………………………………………………………..24

1引言

1.1课题的设计背景及意义

由于CCD成像系统具备价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，使其极具市场竞争力，特别适合性价比要求高的低端军事领域和厂矿企业的应用。

影像传感器技术对世界和整个社会带来了巨大且深远的影响，影像传感器的应用范围甚广，如数字相机、手机，已经成为现代文化密不可分的一部份，也影响了社交媒体和视讯共享革命的发展。

电荷藕合器件图像传感器CCD，是使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。

CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。

当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面[1]。

CCD的外围电路比较复杂，往往给使用者带来不便，特别是驱动时序电路的实现。

早期的CCD驱动电路几乎全部是由普通数字电路芯片实现的，由于需要复杂的三相或四相交迭脉冲，一般整个驱动电路需要20个芯片左右，体积较大，设计也复杂，偏重于硬件的实现，调试困难，灵活性较差。

除了数字电路芯片实现驱动方法外，还有单片机驱动方式，在这种设计方法中，硬件电路非常简单，但是存在资源浪费较多，频率较低的缺陷。

本研究项目采用现场可编程门阵列FPGA技术，不仅开发周期短，而且驱动信号稳定、可靠。

系统功能模块完成后可以先通过计算机进行仿真，再实际投入使用，降低了使用风险性

1.2成像系统的简介

本成像系统设计是通过单片FPGA来实现，可以分为以下四个模块：

（1）CCD驱动电路设计：

通过对CCD驱动电路时序信号的分析，通过VHDL设计并在QuartusⅡ对所设计的驱动程序进行仿真，使与CCD传感器驱动时序吻合，达到CCD正常工作的要求。

（2）图像处理电路：

通过改进的双线性差值算法，将彩色CCD传感器输出的只有一种基色的图像信息变换成每个像素包含红、绿、蓝三色信息的全彩图像。

（3）SRAM存储模块：

针对CCD成像系统中的数据缓存问题，应用参数化设计思想，采用VHDL硬件描述语言在QuartusⅡ开发环境下设计了一种较为通用的、接口简单的SRAM控制器，完成了图像的存取任务。

（4）图像显示模块：

通过FPGA器件控制产生RGB信号、行同步信号、场同步信号等信号，并参照有关标准，最后可以实现对VGA显示器的控制。

1.3总体方框图

本论文设计的成像系统主要由图像输入部分，控制部分，图像存储部分和图像显示部分组成，其硬件结构图如图1所示。

图1总体方框图

1.4本文的主要工作

本文从利用我国进口的焦平面阵列器件，设计满足应用要求的成像系统等问题，展开了如下研究工作：

研究CCD成像系统的工作原理，为系统的整体设计打下基础。

了解EP1C20C6软件设计的基本原理及EP1C20C6处理器的设计编译流程,实现初步的EP1C20C6软件设计，并在评估板上进行调试。