基于FPGA的图像采集与显示系统设计方案

引言

随着科学技术的飞速发展，特别是半导体制造工艺的进步，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的设计技术取得了显著进展。FPGA凭借其丰富的片内资源和固有的并行处理能力，在数字信号处理、硬件加速、汽车电子等领域得到了广泛应用。在图像采集与显示系统中，FPGA能够实现高速、并行的数据处理，显著提高系统的实时性和性能。本文将详细介绍一个基于FPGA的图像采集与显示系统的设计方案，包括系统架构、模块功能、关键代码实现以及主控芯片的详细型号和作用。

系统整体架构

本系统主要由图像采集子系统和图像显示子系统两部分组成。图像采集子系统负责从外部摄像头或其他图像传感器获取图像数据，并进行初步处理；图像显示子系统则将处理后的图像数据通过VGA接口显示在监视器上。

图像采集子系统

图像采集子系统包括RS232通信芯片、总线缓冲器、线阵电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）传感器、CCD缓冲放大器、CCD模数转换器（ADC）、双口随机存取存储器（Random-Access Memory, RAM）模块和图像采集模块。

1. CCD传感器

本系统采用东芝公司生产的TCD2566BFG彩色线阵图像传感器。该传感器灵敏度高、暗电流小，通过两相5V时钟脉冲驱动，含有3行彩色光电二极管阵列与1行黑白光电二极管阵列，每行阵列中光电二极管数量为5340个。

2. 驱动模块

图像采集模块的核心功能是驱动CCD传感器。该模块接收外部指令，配置CCD的行频和每英寸点数（Dots Per Inch, DPI），并产生CCD时钟脉冲与控制信号。在驱动CCD传感器前，需在驱动子模块内设置好CCD的行频与DPI。

3. 信号传输与处理

CCD传感器产生的模拟图像信号经过缓冲放大器传输至CCD专用模数转换器AD9945。AD9945完成图像信号的模数转换，并将采集到的一行数字图像信号写入片内双口RAM中。

图像显示子系统

图像显示子系统包括同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory, SDRAM）、视频解码芯片、VGA监视器、图像缓存模块和图像显示模块。

1. SDRAM

本系统采用Hynix公司生产的HY57V64820HG芯片，位宽8bit，内含4个Bank，总存储空间为64MB，用于缓存双口RAM输出的图像信号。

2. 视频解码芯片

视频解码芯片采用Analog Devices公司生产的ADV7123KSTZ140，最高数据吞吐率为330MS/s，可将数字图像信号转换为VGA标准时序的模拟图像信号。

3. 显示模块

图像缓存模块与图像显示模块协同工作，将缓存的图像数据按照VGA时序送至VGA监视器显示。

主控芯片型号及作用

FPGA型号

1. Altera Cyclone III EP3C5E144C8

• 作用：作为系统的主控芯片，负责图像信号的采集、缓存与显示的整体控制。该芯片内含5136个逻辑单元（LE）、46个M9K Block RAM、23个乘法器，以及414K片内RAM，能够满足系统对高性能计算和大容量存储的需求。

• 应用：在图像采集模块中，FPGA通过驱动子模块配置CCD传感器的行频和DPI，并产生时钟脉冲与控制信号。在图像显示模块中，FPGA负责将缓存的图像数据按照VGA时序送至监视器显示。

2. Xilinx A7

• 作用：另一种常用的FPGA型号，适用于图像采集及显示系统。通过Vivado开发环境进行编程，可以实现对摄像头信号的采集、图像数据的缓存（FIFO和DDR3）以及LCD屏的驱动。

• 应用：在基于MT9V034摄像头的系统中，Xilinx A7 FPGA通过接收摄像头采集的模拟信号，转换为数字信号，并通过FIFO和DDR3进行缓存，最终驱动LCD屏显示图像。

其他关键芯片型号及作用

1. CCD传感器：东芝TCD2566BFG

• 作用：作为图像采集的核心部件，将外部光信号转换为电信号，并通过模数转换器转换为数字图像信号。

• 特点：高灵敏度、低暗电流、两相5V时钟脉冲驱动，含有3行彩色光电二极管阵列与1行黑白光电二极管阵列。

2. 模数转换器：AD9945

• 作用：将CCD传感器产生的模拟图像信号转换为数字图像信号。

• 特点：高速、高精度，适用于图像采集系统。

3. SDRAM：Hynix HY57V64820HG

• 作用：作为图像数据的缓存，存储从双口RAM输出的图像信号。

• 特点：8bit位宽，4个Bank，总存储空间64MB，满足系统对大容量存储的需求。

4. 视频解码芯片：Analog Devices ADV7123KSTZ140

• 作用：将数字图像信号转换为VGA标准时序的模拟图像信号。

• 特点：最高数据吞吐率330MS/s，适用于高分辨率图像显示。

5. 串口通信芯片：MAXIM MAX3232

• 作用：实现FPGA与外部设备（如PC）之间的串口通信。

• 特点：低功耗、高速率，适用于数据传输和配置。

系统详细设计

图像采集模块设计

1. 驱动子模块

驱动子模块负责配置CCD传感器的行频和DPI，并产生时钟脉冲与控制信号。通过单口RAM加载.mif文件进行初始化，在不同的地址预存不同的配置信息。用户通过RS232子模块发送读取地址，驱动子模块据此向CCD传感器发送不同频率的时钟脉冲。

2. 信号传输与处理

CCD传感器产生的模拟图像信号经过缓冲放大器传输至AD9945模数转换器。AD9945完成模数转换后，将采集到的一行数字图像信号写入片内双口RAM中。

图像显示模块设计

1. 图像缓存模块

图像缓存模块使用SDRAM缓存双口RAM输出的图像信号。当缓存的图像数据达到VGA一帧的数据量时，再将数据发送至视频解码芯片进行显示。

2. 图像显示模块

图像显示模块通过视频解码芯片ADV7123KSTZ140将数字图像信号转换为VGA标准时序的模拟图像信号，并驱动VGA监视器显示图像。

DDR3缓存控制模块设计

DDR3缓存控制模块是连接图像采集子系统和图像显示子系统的关键部分。它负责将从视频流采集模块接收到的图像数据高效地写入DDR3内存，并在需要时从DDR3内存中读取这些数据以供显示。DDR3接口设计包括物理接口设计、控制逻辑设计和内存管理策略。

1. 物理接口设计

DDR3的物理接口包括时钟信号（CK和CK#）、控制信号（如RAS#、CAS#、WE#、CS#等）和数据信号（DQ和DQS）。这些信号需要通过专用的DDR3控制器IP核进行连接和配置。

2. 控制逻辑设计

控制逻辑主要包括命令生成、地址生成和数据传输控制。命令生成负责根据内存管理策略生成必要的读写命令；地址生成负责生成访问DDR3的起始地址和递增地址；数据传输控制确保数据在正确的时钟周期内从FPGA的I/O口传输到DDR3接口。

3. 内存管理策略

内存管理策略包括缓存策略、页管理和数据一致性检查。缓存策略决定了何时将数据从DDR3读取到FPGA的局部存储（如Block RAM）中，以及何时将数据写回DDR3。页管理涉及DDR3的页面开闭操作，以减少访问延迟。数据一致性检查确保在并发读写操作中数据的完整性和一致性。

关键代码实现

以下是一段示例代码，用于实现FPGA内部FIFO的读写控制逻辑。该FIFO用于同步外部输入的数据和FPGA内部逻辑。

module fifo_controller(

input clk,

input rst_n,

input [7:0] data_in,

input fifo_full,

output reg fifo_wr_en,

output reg fifo_rd_en,

output reg [7:0] data_out

);



// FIFO读写控制逻辑  

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  

if (!rst_n) begin  

fifo_wr_en <= 1'b0;

fifo_rd_en <= 1'b0;

end else begin  

// 写入控制逻辑  

if (!fifo_full) begin  

fifo_wr_en <= 1'b1; // 当FIFO未满时写入  

end else begin  

fifo_wr_en <= 1'b0;

end  



// 读取控制逻辑（简化版，实际应更复杂）  

if (/* 读取条件 */) begin  

fifo_rd_en <= 1'b1; // 读取条件满足时读取  

end else begin  

fifo_rd_en <= 1'b0;

end

// 数据输出逻辑  

if (fifo_rd_en) begin  

// 假设有一个fifo_data_out信号从FIFO中读取数据  

data_out <= fifo_data_out; // 将FIFO输出的数据赋值给data_out  

end  

// 注意：实际使用时，fifo_data_out信号应由FIFO IP核提供，  

// 并且需要处理读取延迟和同步问题。  

end  

end  



// FIFO IP核的实例化（假设使用了一个现成的FIFO IP核）  

// 注意：这里的FIFO_IP_CORE是一个占位符，实际使用时需要替换为具体的FIFO IP核实例。  

FIFO_IP_CORE fifo_inst (

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.din(data_in),

.wr_en(fifo_wr_en),

.rd_en(fifo_rd_en),

.full(fifo_full),

.dout(fifo_data_out), // 假设FIFO IP核有一个dout输出端口  

// 其他可能的信号，如empty、used_w等，根据具体FIFO IP核的接口定义来连接  

);



endmodule

注意：上面的代码是一个简化的示例，用于说明FIFO读写控制逻辑的基本框架。在实际应用中，FIFO IP核的接口定义和信号名称可能会有所不同，因此需要根据具体的FIFO IP核文档进行修改。此外，读取条件（/* 读取条件 */）需要根据实际应用场景来定义，可能涉及到帧同步、行同步、数据完整性检查等多个方面。

系统测试与验证

在系统设计和实现完成后，需要进行全面的测试与验证，以确保系统的功能和性能满足设计要求。测试与验证包括以下几个方面：

1. 功能测试：验证系统能否正确采集和显示图像，包括色彩还原、分辨率、帧率等关键指标。

2. 性能测试：测试系统的实时性和稳定性，包括图像采集和显示的延迟、系统资源占用情况等。

3. 兼容性测试：验证系统能否与不同型号的摄像头和显示器兼容。

4. 压力测试：在系统满负荷运行的情况下，测试系统的稳定性和可靠性。

结论

本文详细介绍了一个基于FPGA的图像采集与显示系统的设计方案，包括系统架构、模块功能、关键代码实现以及主控芯片的详细型号和作用。通过合理的系统设计和高效的FPGA编程，该系统能够实现高速、实时的图像采集与显示，为图像处理、机器视觉等领域提供了有力的技术支持。未来，随着FPGA技术的不断发展和应用需求的不断变化，该系统还有很大的优化和扩展空间。