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Abstract

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,digitalimage-baseddataataveryrapidrate.Howtomanagealargedatabaseofdigitalimagesisbecomingmoreimportant,sofordigitalimagecaptureandretrieval,hasbecomeanimportantareaofresearch.ThestudyisbasedonFPGAasthecorecontroller,thedevelopmentofavideocapturehardwareofthesystem.Imagecapturesystemhardwarecanbedividedintoimageacquisitionmodule,imagestorageandtransmissioninterfacemodulemodule.Intheprintedcircuitboarderrordetectionsystem,isdividedintotwomajorparts,thefirstpartisimageacquisitionunit,thesecondpart,imageprocessingunit.Inthefirstpartthemainworkistobetheproductimagestodetectthemthroughthecamera'

simagedatatoprocessingunit（theanalogvideosignalintoadigitalvideosignal）,thesecondpartisresponsiblefordigitalimagesignalandtoidentifyproductquality,andintheidentification,youmustfirstcapturethroughPCBcopperfoilontheaction,wecanfurtheridentifythecopperfoilintheprintingerrorwhenthereisnocase,thispaperisPCBcopperfoilfortheautomaticretrievalsystemforresearch.Mostoftheautomaticidentificationsystemsusepersonalcomputers（PC）asacomputingsystem,duetothehugevolumeofpersonalcomputers,requireoperatingsystemsoftwaresupport,andhighcost,notsuitableforapplicationinindustrialproductionline,sothisstudypurposeistouselow-costfieldprogrammablegatearrayefficiency（FPGA）,thesmallsizeofthesystemimplementedasstand-alonesystem,becausetheoperationdoesnotrequireanysoftware,andFPGA'

slowprice,suitableformassproductionapplications,itismorerealisticcommercialpurposes.ResponsiblefortheSAA7113Hinitializationsettings.AverlogicimagestoragemoduleistheproductionofAL422BasFrameBuffer,wheretwoFrameBufferusedtostorethehigherresolutionscreeninformation.InterfaceispartoftheCypressEZ-USBFX2,usingFengyunICtotheinformationstoredinbacktothecomputerscreentoprovideforfutureprocessinginthecomputerforimage-relatedpurposes.以拼音方式閱讀

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∙ZeitOnline-德國

目錄

中文摘要----------------------------------------------Ⅰ

英文摘要-----------------------------------------------Ⅱ

目錄---------------------------------------------------Ⅲ

誌謝---------------------------------------------------Ⅳ

圖目錄-------------------------------------------------Ⅴ

本文

第一章緒論----------------------------------------9

1-1簡介----------------------------------------9

1-2系統單晶片的設計----------------------------------10

第二章原理----------------------------------------11

2-1概述----------------------------------------11

2-2影像處理實現在個人電腦系統和嵌入式系統之比較--------11

2-3場效可程式化閳陣（ＦＰＧＡ）的原理和優點-----------12

2-4系統單晶片（ＳＯＣ）----------------------15

2-4-1系統單晶片簡介--------------15

2-4-2系統單晶片的設計方法------------------------16

2-5自動閥值在ＰＣＢ銅箔擷取的優點和原理------------19

第三章影像擷取模組彩色CCD----------------------------23

3.2Videodecoder-------------------------24

3.2.1類比輸入處理------------------------24

3.2.2色差處理----------------------------------------26

3.2.3明視度處理----------------------------------------27

3.3I2C傳輸介面----------------------------------------28

3.3.1I2C傳輸協定--------------------------------------29

3.3.2I2C模組設計--------------------------------------30

3.4FVH模組與PLCounter模組--------------------------30

參考文獻--------------------------31

誌謝

光陰似箭、歲月如梭，一晃眼進入大學已然邁入第3年了，需要感謝的人有很多，謝謝班導郭晉魁老師，在我學習路途上不吝給予指導，在學習的路途上給予我方向，授予我專業知識，並且提供寶貴意見，在此致上我最真切的祝福，在這一千多個日子以來與我時常相處的同伴們，謝謝你們:

偉嘉（阿嘎）、昇億（嘟嘟）、湯宇（FISH）、武漢（阿夜）、閔輝（豆花）等…感謝你們在我困惑無助時給予適時的幫助和打氣，謝謝你們才能讓我有信心及毅力繼續堅持學習這條路，因為有你們我不孤單，還有許多助教、學長們在我們研究及課堂課後給予協助與指導，使我能夠有動力可以繼續努力向前，最後我本人在此將本篇研究報告獻給我生命中認識我的每一個人。

---------------------------------------------------參考論文相關的所有作者

感謝方柏霖、吳昭賢、揚長慎、時繼弘、馬海華…等研究生。

讓我對─影像擷取系統─有了更深一層的認識及研究。

圖目錄

圖1-1數位元件的發展史---------------------------------9

圖1-2系統單晶片的設計概念-----------------------------10

圖2-1以個人電腦系統為架構的示意圖---------------------11

圖2-2數位系統的實現方法------------------------------12

圖2-3由可配置邏輯塊組成的矩陣示意圖-------------------13

圖2-4XilinxVirtex-2V2MB1000之可配置邏輯塊----------14

圖2-5使用查表實現組合邏輯的功能--------------------15

圖2-6輸入輸出塊實體電路的實現----------------------16

圖2-7系統單晶片的架構示意圖----------------------17

圖2-8傳統的IC設計流程----------------------18

圖2-9二維的設計空間----------------------19

圖2-10軟硬體共同設計流程----------------------19

圖2-11本實驗應用軟硬體設計的流程圖----------------------20

圖2-12二階的像素密度分佈----------------------20

圖2-13多階的像素密度分佈----------------------20

圖3-1影像擷取模組----------------------23

圖3-2CCD外觀----------------------23

圖3-3SAA7113H系統方塊圖----------------------25

圖3-4類比輸入處理方塊圖----------------------26

圖3-5Chrominancecircuit,textslicer,VBI-bypass,outputformatting,powerandtestcontrol----------------------27

圖3-6明視度與同步電路----------------------28

圖3-7I2C元件連接----------------------29

圖3-8I2C標準傳輸----------------------30

圖3-9PIC16F87X內部架構----------------------31

報告本文

第一章緒論（其內部參考內容詳閱其中引用部分）

１-１簡介

在這個新的時代裡，電腦的普及，徹底改變了我們的生活環境，就像是半導體

行業的技術提升，正是成就個人電腦快速發展的重點，很多個人電腦的有關項目

和產品也引起強烈的探討，而PC電腦對學術探討的發展有著很大的影響，許多

分析和運算都能夠透過PC電腦來成就，其中在影像處理的領域裡，更是使之影

響很深，因為影像的處理需要很大的運算量，所以自從PC電腦普及後，數位影

像處理的領域受到學術探討的注目，從早期在醫院和軍方的使用，一直伸展到工

業和商業的不同項目裡。

而在這個嶄新的時代裡，後PC電腦的時代即將來到，很小的嵌入式系統可能

會取代現在體積很大的PC電腦，因為多功能性的整合系統成本價格很貴，但低

價的成本都是現在最主要的因素，而針對獨特功能所設計的超速處理系統，例如

手機，電視遊樂器，多類玩具，家電用品，數位相機，電視等相關熱門物品，都是符合上述特點的很小嵌入式專業系統，而圖1.1

（1）表示數位元件中的發展歷史，由圖中能夠看出來因為元件複雜度的持續提升，加快了特殊功能的微小嵌入式系統的形成。

表1.1

（1）是一些被廣義泛應用在嵌入式專業系統裡的很小處理器的述說。

而超小嵌入式專業系統使用在數位影像編列的範圍，可能會是一個很有希望的研究發展地方，所以本文期望以一很小的嵌入式專業系統來構思一種印刷電路板中影像擷取系統的應用，提供一個便利而低價的解決方式。

１-２系統單晶片的設計

系統單晶片是一種適合實現嵌入式系統的解決方案，其設計想法是把一良好

的系統，使用在單一顆的晶片裡，如圖1.2所表，要構思系統單晶片之硬體最要

求是晶片內部的電晶體密度需要很高，電晶體的數量很高，以如今的半導體技術，剛好配合成本和上述的要求，固然我們使用了以系統單晶片來為設計。

參考來源引用自:

馬海華研究生碩士論文-印刷電路板銅箔自動影像擷取系統之設計取自:

自由的博碩士論文全文資料庫http:

//ndltd.ncl.edu.tw/cgi-bin/gs32/gsweb.cgi/login?

o=dwebmge&

cache=1294213528812

第二章原理（其內部參考內容詳閱其中引用部分）

２-１概述

本系統以ＦＰＧＡ為核心構造而研發出來的程式，把影像處理的主動值演算

算法使用在一嵌入式程式裡，達到能獨自操控的目地，不須依賴PC電腦，而設

計方式以ＳＯＣ的軟、硬體共同設計為其設計流程，以方便以後能夠快速的將系

統增大。

２-２影像處理實現在個人電腦系統和嵌入式系統之比較

由於半導體技術的進步，使晶圓中單位面積的電晶體數目快速地成長，如商

用的微處理器裡電晶體的數目由數千顆到百萬顆的數目，這使得整個硬體的成本

減少，而面積也隨之微小化，另外因電路設計的軟體技術日趨成熟，有助於數位

電路設計的發展，這些都是促成設計者能把更多的功能整合到硬體裡的主要因

素。

傳統影像處理的應用大多都是實現在個人電腦的系統上，因為個人電腦具有

以下的優點：

成本低，系統架構容易建立，容易撰寫功能程式，資料儲存容量大

等。

所以個人電腦在影像處理的應用上有很大的使用率，圖2-1所示是把本實驗

實現到個人電腦上的系統架構。

透過攝影機把測試影像擷取下來，經過傳輸介面

把影像資料送到電腦的影像擷取卡，擷取卡把類比影像訊號轉換成數位資料，然

後經過應用程式加以處理，例如經過影像自動閥值的處理，處理後的結果便是擷

取出ＰＣＢ上的銅箔影像資料，然後提供給辨識單元作錯誤偵測。

在現今半導體技術發展下，很多傳統個人電腦系統的優點都已經不太明顯，

例如在成本和資料儲存容量等方面，發展應用在特殊功能的積體電路ＡＳＩＣ

（ApplicationSpecifiedIC）已經到了可以普及化的層次。

而數位電路的硬體合

成軟體也使ＩＣ設計在系統架構的建立和撰寫功能程式等方面得到了很大的改

善，而個人電腦存在著體積龐大，需要作業系統的支援，耗電量大，速度慢等致

命缼點，使它沒有辦法在現在很多特定的應用上發揮它的作用，如手機的空間環

境，由以上所述可以看出現在的發展將趨向嵌入式系統架構（Embedded

System）。

２-３場效可程式化閳陣（ＦＰＧＡ）的原理和優點

本實驗的系統實作方法使用了場效可程式化閳陣的IC元件，在數位系統的

實現方法大慨可分成：

全訂製（FullyCustomized）IC與半訂製（Semi

Customized）兩大類。

如圖2-2所示[2]。

其中全訂製的性能比半訂製的來得優異，因為大部份的電路模組都是由人工

設計調校出來，但所花費的時間頗為可觀，所以適合在生產量大和複雜的電路上

面，如Intel公司所生產的Pentium中央處理器，便是使用了全訂製的設計方法。

而大部份的數位電路設計，都是使用半訂製的設計方法，半訂製主要是設計者只

要把系統中的電路結構和它們的組合邏輯功能設計完成，而留下最後的電路模組

的合成（Synthesis），配置（FloorPlanning）和繞線（Route），由合成軟體來幫我

們完成，這大大的縮短了設計的時間，也簡化了設計數位系統的複雜性。

在半訂製裡分成：

罩網可規劃邏輯閘陣列（簡稱邏輯閘陣列GateArray，

GA），標準雛型電路和現場可規劃邏輯閘陣列（FPGA）等。

其中｢邏輯閘陣列｣

和｢標準雛型電路｣可以由設計者自行規定自己的IC規格，但最後的雛型和產品

IC仍需要由IC製程工廠製造完成，因此要屆時產品製成後才可以做測試和修

改，不適合在實驗室或做研發之用。

因為｢現場可規劃邏輯閘陣列（FPGA）｣

是由一矽晶片切割成如圖2-3所示的可配置硬體塊矩陣，連接線以水平及垂直的

方向貫穿此硬體塊陣列，在水平和垂直線的交叉點為一開關，任一硬體塊可經由

一組水平或垂直信號線與其鄰近的硬體塊連接，而開關便負責這些水平和垂直信

號線是否有連接，在圖2-3中的可配置邏輯塊可以為一些可配置的邏輯元件集，

如正反器或一些基本的邏輯運算單元，如AND，OR，NOT等基本邏輯閘，透

過以上的可配置邏輯塊，可組合出使用者的組合邏輯電路，所以FPGA具有可以

現場規劃使用者設計的功能。

圖2-3由可配置邏輯塊組成的矩陣示意圖

可配置邏輯塊的實現

在本實驗所使用的ＦＰＧＡ的可配置邏輯塊內容如圖2-4所示，為兩個16*1

隨意擷取記憶體（RAM），兩個緣觸發D正反器，以及數個多功器組合而成。

多

功器可用來配置邏輯塊之間的連接和輸入輸出之間的連接。

RAM用查表器

（LUT）來實現組合邏輯。

正反器的作用為在循序電路裡，可以操作於時脈緣或

為一鎖存器（Latch）。

可配置邏輯塊的運作原理

圖2-5所示[3]的閘層次電路，可以用配置邏輯塊中的一個16*1位元的LUT

加以實現，其中四個輸入為16*1記憶體的四位元地址，而真值表的輸出值設定

在記憶體中一位元的相對位置，例如記憶體在位置0001的內容為1而在1101的

內容為0，所以一個16*1的LUT能夠實現任何具有四個變數的布林功能。

圖2-4中的兩個正反器能夠被配置於在時脈正或負緣下操作，以及時脈輸出

的功能，例如二正反器能夠配置使用在同一時脈或具有時脈輸入控制的鎖存器。

邏輯塊除了各有四個輸入外，另外還具有四個外加的輸入以及一個時脈輸入。

輸入輸出塊的運作原理

圖2-6為在晶片上實現的輸入輸出塊硬體電路圖，由三個正反器和一些多功

器所組成，輸出和輸入資料連接到FPGA裡指定的PAD位置。

信號I為FPGA

的輸入，這信號可能來自輸入端或一個儲存輸入資料的輸入輸出塊正反器。

輸出

信號能夠直接連到一輸出端或儲存到一個正反器。

此輸出路徑包含一個多功器，

這可使兩個信號能共用一腳座，所以能夠增加設計的有效輸入輸出個數。

此外，

它也提供分離式的時脈給予正反器的輸入與輸出。

馬海華研究生碩士論文-印刷電路板銅箔自動影像擷取系統

之設計取自:

２-４系統單晶片（ＳＯＣ）

２-４-1系統單晶片簡介

系統單晶片簡單的意義和目的是要設計一擁有完整的系統功能，並把它整合

在一顆積體電路IC裡，這些系統功能包括中央處理器、記憶體、溝通介面等，

甚至於還包含一些額外的應用電路、數位／類比轉換器及類比／數位轉換器等功

能塊，如圖2-7所示，圖中每一個系統功能方塊的電路設計，都可予以保存，尚

可用於日後其他系統設計裡，所謂的矽智慧財產（SiliconIntellectualProperty），

習慣稱為IP。

２-４-２系統單晶片的設計方法

數