钱宝国基于FPGA的彩色CCD成像技术Word文档格式.docx

1、 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Hardware Design of Color CCD Imaging TechnologyBased on FPGA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 Institute of Technology基于FPGA的彩色CCD成像技术硬件设计

2、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

3、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；CCDElectronic Information Engineering Specialty QIAN Bao-guoAbstract: The main topic is the study of color hardware design of CCD imaging based on FPGA system, which uses the powerful FPGA programming and logic functions, through the D / A video enco

4、der chip, which features a simple digital camera. Demand for the system to complete the CCD readout module, video memory module, video synthesis output module design and testing. CCD image sensors, optical signals can be directly converted to a digital signal. Embedded processor is mainly responsibl

5、e for system management, data communication, data loading, keyboard, services and other functions. The design of a company with ALTERA EP1C20 FPGA chip to complete a variety of embedded memory, support for multiple input methods. FPGA is mainly responsible for signal processing, video synthesis, dri

6、ve control, timing, management, and interface logic and embedded processors and other functions. This article discusses in detail the system and the part of top-down design method of hardware circuit design and FPGA features.Key words: Imaging system; pogrammable logic device; CCD目录1引言.11.1课题的设计背景及意

7、义.11.2成像系统的简介11.3总体方框图. . . .21.4本文的主要工作22 CCD器件介绍及成像原理.22.1 CCD基本概念和特点22.2 CCD器件的成像原理.42.2.1 CCD器件的基本结构及性能参数.42.2.2 CCD器件的工作原理52.2.3 彩色图像采集的实现.83硬件电路设计.93.1 FPGA主控模块.93.1.1 基于FPGA嵌入IP的SOPC系统.93.1.2 可编程片上系统（SOPC）系统 103.1.3 FPGA的主控电路.113.1.4 EP1C20的性能.133.1.5 主控电路.143.2外围电路设计.153.2.1视频转换模块.153.2.2其他电

8、路.173.3 CCD驱动电路设计.204实验测试及误差分析.214.1硬件调试.214.2软件调试 . . 21结束语.22参考文献.23致谢.241 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

9、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

10、。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Quartus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

11、，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Quartus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。