1、6 6 M i c r o c o n t r o l l e r s&E m b e d d e d S y s t e m s 2 0 2 3年第4期w w w.m e s n e t.c o m.c n 机器视觉领域的F P G A超高清图像采集系统设计刘跃成1,甄国涌1,李文越2,程洪涛1,储成群1,单彦虎1(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室,太原 0 3 0 0 5 1;2.陆军装备部驻北京地区军事代表局某军代室)摘要:为满足当前机器视觉等领域对高清晰度成像的要求,提出了一种基于F P G A的超高清图像采集系统设计方案,通过X i l i n x A r t i x 7系列
2、F P G A芯片X C 7 A 3 5 T C S G 3 2 4搭载相关模块实现图像的采集、存储、显示。在硬件设计上选用I MX 1 8 3图像传感器进行图像采集、D D R 3芯片进行缓存、F l a s h芯片进行存储,并通过D C D C电源模块与L D O电源模块配合使用实现多通道系统供电。软件设计上通过S P I协议进行图像传感器的配置,并对L V D S图像数据进行解析。实际测试结果表明,该系统可以实现2 0 0 0万像素的超高清图像显示,配合光学结构可应用于工业相机、监控摄像头等多种产品中,具有较高的实用价值和研究意义。关键词:F P G A;图像采集;X C 7 A 3 5
3、 T C S G 3 2 4;I MX 1 8 3中图分类号:T P 2 7 4 文献标识码:AD e s i g n o f F P G A U l t r a H i g h-d e f i n i t i o n I m a g e A c q u i s i t i o n S y s t e m i n M a c h i n e V i s i o nL i u Y u e c h e n g1,Z h e n G u o y o n g1,L i W e n y u e2,C h e n g H o n g t a o1,C h u C h e n g q u n1,S h a
4、n Y a n h u1(1.N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o f E l e c t r o n i c T e s t i n g T e c h n o l o g y,N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a,T a i y u a n 0 3 0 0 5 1,C h i n a;2.M i l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e O f f i c e o f M i l i t a r y E q u i p m e n t D e p a r
5、 t m e n t i n B e i j i n g)A b s t r a c t:I n o r d e r t o m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f c u r r e n t m a c h i n e v i s i o n a n d o t h e r f i e l d s f o r h i g h-d e f i n i t i o n i m a g i n g,a d e s i g n s c h e m e o f a n u l t r a-h i g h d e f i n i t i o n i m a g
6、 e a c q u i s i t i o n s y s t e m b a s e d o n F P G A i s p r o p o s e d,t h a t i s,t h e X i l i n x A r t i x 7 s e r i e s F P G A c h i p s i s e q u i p p e d w i t h r e l e v a n t m o d u l e s t o a c h i e v e i m a g e a c q u i s i t i o n,s t o r a g e a n d d i s p l a y.I n h a
7、 r d w a r e d e s i g n,I MX 1 8 3 i m a g e s e n s o r i s s e l e c t e d f o r i m a g e a c q u i-s i t i o n,D D R 3 c h i p i s u s e d f o r c a c h i n g,F l a s h c h i p i s u s e d f o r s t o r a g e,a n d D C D C m o d u l e a n d L D O p o w e r m o d u l e a r e u s e d t o g e t h
8、e r t o a-c h i e v e m u l t i-c h a n n e l s y s t e m p o w e r s u p p l y.I n s o f t w a r e d e s i g n,t h e i m a g e s e n s o r i s c o n f i g u r e d b y S P I p r o t o c o l.T h r o u g h a c t u a l t e s t i n g,t h e s y s t e m c a n a c h i e v e 2 0 m i l l i o n p i x e l s o
9、f u l t r a-h i g h d e f i n i t i o n i m a g e d i s p l a y,a n d c a n b e u s e d i n i n d u s t r i a l c a m e r a s,s u r v e i l l a n c e c a m e r a s a n d o t h e r p r o d u c t s w i t h o p t i c a l s t r u c t u r e,w h i c h h a s h i g h p r a c t i c a l v a l u e a n d r e s
10、e a r c h s i g n i f i c a n c e.K e y w o r d s:F P G A;i m a g e a c q u i s i t i o n;X C 7 A 3 5 T C S G 3 2 4;I MX 1 8 30 引 言随着人工智能技术的发展和集成电路制造工艺水平的提高,图像采集处理开始在机器视觉、现代生物、医疗卫生等领域发挥越来越重要的作用1-2。F P G A芯片因为具有并行处理数据、内部可编程逻辑资源丰富、可以进行流水线架构设计、实时性好、设计灵活等优势,在高速信号处理上具有广泛的应用市场。王国忠等通过6系列F P G A芯片与MT 9 P 0
11、3 1图像传感器搭建的图像采集系统实现2 5 9 21 9 4 4分辨率的图 像 采 集 显 示3。康 宇 通 过7系 列F P G A芯 片 与NO I P S 1 3 0 0 A图像传感器搭建的图像采集系统可以实现1 2 8 01 0 2 4分辨率的图像采集显示4。总体来看,传统图像采集系统因为受图像传感器和显示器分辨率、F P G A芯片性能、功耗、可编程资源、D D R缓存速率和容量等限制,超高清图像采集系统的实现方案相对较 少6-7。基 于 此,通 过X i l i n x 7系 列F P G A芯 片X C 7 A 3 5 T C S G 3 2 4作为主控芯片搭建超高清图像采集系
12、统,实现2 0 0 0万分辨率图像数据的采集、处理、显示。1 系统总体方案设计图像采集系统由主控模块、图像采集模块、存储模块、图像显示模块、电源模块5个模块组成。如图1所示,图像采集模块、存储模块、图像显示模块通过F P G A主控模块的信号接口进行数据交互,而电源模块主要是通过A CD C转换、D C D C转换、L D O转换等将2 2 0 V市电转换为图像采集系统所需的电压供各个模块使用。系统整体设计思路是以7系列F P G A主控芯片为核心,通过D D R 3 S D R AM芯片进行图像数据处理,F l a s h芯片进行数据存储,并 通 过L V D S接 口 连 接CMO S图
13、像 传 感 器 芯 片 敬请登录网站在线投稿(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2 0 2 3年第4期 6 7 I MX 1 8 3进行图像数据采集,通过千兆以太网接口连接P C机进行图像显示。图1 系统总体方案图图像采集模块将采集到的光信号转换为模拟电信号,然后通过数/模转换将电信号转换为数字信号,数字信号再通过L V D S接口进行输出。像素分辨率和采样精度是图像采集系统超高清显示的关键因素,设计图像采集模块时选用像素分辨率可以达到5 4 7 23 6 4 8(约2 0 0 0万像素)的I MX 1 8 3图像传感器进行图像数据的采集。主控模块是图像采集系
14、统最核心的部分,用来实现I MX 1 8 3寄存器的配置,图像数据的采集、速率转换、缓存及处 理 等 功 能。X i l i n x A r t i x7系 列F P G A有1 3 M b B R AM缓存资源,支持1.2 G b/s L V D S接口数据传输和1 0 6 6 M b/s的D D R 3数据传输,能够满足快速处理图像信息并进行数据传输的设计需求8,同时其配套的F P G A开发软件V i v a d o中含有丰富的I P核和原语,可以极大程度简化设计。综合考虑性能、功耗、设计难度等因素,选择X i l i n x A r t i x 7系列F P G A芯片X C 7 A
15、3 5 TC S G 3 2 4作为图像采集系统的主控模块。存储模块包括运行内存模块和存储内存模块。运行内存模块主要用来缓存帧图像数据,设计时选用2 G b容量、4 0 08 0 0 MH z时钟频率的D D R 3 S D R AM芯片。存储模块主要是用来存放固化F P G A程序的.b i n文件,对速率和容量的要求较低,选用容量为6 4 M b的F l a s h芯片即可满足设计要求。电源模块主要是对系统各个模块进行供电。不同的模块需要不同的电压进行供电,同一模块的不同电源引脚可能也需要不同的电压进行供电。比如I MX 1 8 3图像传感器有模拟电压、数字电压及I/O口电压3种不同电压。
16、电源模块的设计就是要根据不同模块的电压、电流需求进行分析,选取合适的电源芯片进行供电。2 硬件模块电路设计硬件模块电路的设计主要从电路原理图和P C B板布局布线 两 个 方 面 进 行 分 析 考 虑。图2为F P G A芯 片X C 7 A 3 5 T与各个模块关键信号的连接示意图,图中箭头代表信号的流向。图2 系统硬件连接设计方案图2.1 图像采集模块电路设计I MX 1 8 3与F P G A的连接主要为S P I、L V D S信号和行场同步信号。通过S P I通信信号可对图像传感器进行状态 控 制、寄 存 器 配 置 和 读 取 以 及 写 地 址 操 作。将I MX 1 8 3设置为工作在从模式下,由F P G A向I MX 1 8 3发送行场同步信号。本次设计中只需4路L V D S通道即可实现2 0 0 0万像素的图像数据传输,其他6路留作备用。I MX 1 8 3在P C B布局布线时要注意将地线覆铜来减小对地阻抗,以提高芯片的抗干扰能力。同时在布局时要尽量将电源芯片远离I MX 1 8 3放置,以减少干扰。此外,芯片的电源引脚应添加去耦电容降低电源噪声,去耦电容应
