基于FPGA的高速图像采集系统

基于FPGA的图像采集卡的设计1 引言现代化生产和科学研究对视频图像采集系统的要求日益提高。

传统的图像采集卡速度慢、处理功能简单、采用分立元件、电路非常复杂；而且可靠性差、不易调试、不能很好地满足特殊要求。

FPGA(现场可编程门阵列)是专用集成电路中集成度最高的一种，用户可对FPGA 内部的逻辑模块和I／O模块重新配置，以实现用户所需逻辑功能。

用户对FPGA的编程数据放入芯片，通过上电加载到FPGA中，对其进行初始化；也可在线对其编程，实现系统在线重构。

基于FPGA技术的图像采集主要是通过集成的FPGA开发板，使用软件编程把图像的采集控制程序写入FPGA开发板的芯片上，通过仿真技术来进行图像的采集处理分析。

通过这种方式，便于及时地发现设计中的错误，从而有效地缩短研发时间。

2 系统的组成及基本原理该图像采集系统主要由模拟视频信号解码模块，I2C控制接口模块，采样控制模块，SDRAM 存储控制模块。

SAA7113H芯片把从CCD采集来的模拟视频信号转化成YUV＝422格式的数字图像信号。

这些信号在同步脉冲的作用下进入采集控制器。

采样控制器在奇偶场控制信号下把图像信息存入SDRAM中。

该系统可以实现由隔行扫描图像到逐行图像的转化及存储。

2．1模拟视频信号解码由于SAA7113H芯片具有I2C接口，该模块则通过I2C总线来配置SAA7113H初始化的信息。

工作涉及SAA7113H的初始化字的配置、工作方式的配置；行同步开始和结束标志位、确定亮度、色度、饱和度的大小以及输出图像数据信号的格式。

2．2 I2C控制接口模块I2C模块作为SAA7113H寄存器初始配置的整体控制模块。

具体可以分成I2C_cmd和数据传输2个模块I2C_cmd模块为纯组合逻辑电路，完成信号的发送控制任务，配合rom_data[7．0]和rom_addr[7．0]信号完成数据的寻址与存入等工作；而数据传输模块主要和I2C_cmd模块一起组合成I2C的数据控制写入模块，他主要负责对I2C_cmd模块的输出信号进行缓存，并在其输出端输出I2C总线的串行数据SDA以及I2C总线的串行时钟信号SCL。

基于FPGA的MIPI CSI-2图像采集系统设计赵清壮【摘要】This paper elaborates a design of MIPI CSI-2 high-definition camera interface image acquisition system based on FPGA. Now, MIPI high-definition CCD is used widely, this design uses FPGA to achieve MIPI high-definition CCD collect and provides two outputs of LCD screen and USB, the data transmission is stable and reliable, it make MIPI interface camera applied widely by the other circuit systems, accelerates system development and saves cost.%阐述一种基于FPGA的MIPI CSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计，该设计用FPGA实现当前应用广泛的MIPI高清CCD采集，并提供LCD屏、USB两路输出，数据传输稳定可靠，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。

【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)029【总页数】2页(P84-85)【关键词】MIPI;CSI-2;图像采集;FPGA【作者】赵清壮【作者单位】广州飒特红外特股份有限公司，广州510000【正文语种】中文【中图分类】TP302.10 引言CSI（Camera Serial Interface)是由MIPI（Mobile Industry Processor Interface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI联盟旨在确定并推动移动应用处理器接口的开放性标准。

摘要随着机器视觉的广泛应用，以及工业4.0和“中国制造2025”的提出，在数字图像的采集、传输、处理等领域也提出了越来越高的要求。

传统的基于ISA接口、PCI接口、串行和并行等接口的图像采集卡已经不能满足人们对于高分辨率、实时性的图像采集的需求了。

一种基于FPGA和USB3.0高速接口，进行实时高速图像采集传输的研究越来越成为国内外在高速图像采集研究领域的一个新的热点。

针对高速传输和实时传输这两点要求，通过采用FPGA作为核心控制芯片与USB3.0高速接口协调工作的架构，实现高帧率、高分辨率、实时性的高速图像的采集和传输，并由上位机进行可视化操作和数据的保存。

整体系统采用先硬件后软件的设计方式进行设计，并对系统各模块进行了测试和仿真验证。

通过在FPGA 内部实现滤波和边缘检测等图像预处理操作，验证了FPGA独特的并行数据处理方式在信号及图像处理方面的巨大优势。

在系统硬件设计部分，采用OV5640传感器作为采集前端，选用Altera的Cyclone IV E系列FPGA作为系统控制芯片，由DDR2存储芯片进行数据缓存，采用Cypress公司的USB3.0集成型USB3.0芯片作为数据高速接口，完成了各模块的电路设计和采集卡PCB实物制作。

系统软件设计，主要分为FPGA逻辑程序部分、USB3.0固件程序部分和上位机应用软件部分。

通过在FPGA上搭建“软核”的方式，由Qsys系统完成OV5640的配置和初始化工作。

由GPIF II接口完成FPGA和FX3之间的数据通路。

通过编写状态机完成Slave FIFO的时序控制，在Eclipse中完成USB3.0固件程序的设计和开发。

上位机采用VS2013软件通过MFC方式设计，从而完成整体图像采集数据通路，并在上位机中显示和保存。

整体设计实现预期要求，各模块功能正常，USB3.0传输速度稳定在320MB/s，通过上位机保存至PC机硬盘的图像分辨率大小为1920*1080，与传感器寄存器设置一致，采集卡图像采集帧率为30fps，滤波及边缘检测预处理符合要求，采集系统具有实际应用价值和研究意义。

基于FPGA的高速彩色线阵CCD实时图像采集系统刘伟;齐美彬;许建平;胡龙飞【摘要】文中设计了一款彩色线阵CCD实时图像采集系统,选用FPGA作为主控芯片.该系统完成了线阵CCD传感器、模数转换芯片的驱动、数据采集与转换.转换后的数据通过FPGA预处理后,由USB2.0传输至上位机实现图像实时成像.结果表明:设计的彩色线阵CCD实时图像采集系统能够满足工业应用要求,每行像素点达2098个,行频可达9000 fps.%The color linear CCD real?time image acquisition system was designed in this paper. The system chose FPGA to be the master chip.The system completed the driver of linear CCD sensor and analog?digital conversion chip,data acquisition and conversion. The transformed data after pretreatment by FPGA was transmitted to the computer for real?time imaging by the USB 2.0. The results show that the design of color linear CCD real?time image acquisition system can meet the requirements of indus?trial application ,the pixel resolution of the system is 2098 and the line frequency can reach 8000 fps.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】4页(P91-94)【关键词】FPGA;高速;线阵CCD;实时成像【作者】刘伟;齐美彬;许建平;胡龙飞【作者单位】合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥230009;合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TP273电荷耦合器件（charge coupled device，CCD），具有集成度高、性能稳定、响应速度快、分辨率高、抗干扰能力强等优点［1］。

基于FPGA的高速图像采集系统设计引言在低速的数据采集系统中，往往采用单片机或者DSP进行控制；而对于图像采集这种高速数据采集的场合，这种方案就不能满足需要。

因此这种方案极大浪费了单片机或DSP的端口资源且灵活性差；若改用串口方式收集数据，则一方面降低了数据采集的速度，另一方面极大地耗费CPU的资源。

本系统采用FPGA作为数据采集的主控单元，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、成本低、灵活性强。

为了增加缓冲功能，系统在FPGA外扩展了256Mb的RAM，不仅增大了缓冲区容量，而且极大地降低了读写频率，有效地减轻了上位机CPU的负担。

在图像数据接口中，比较常见的是VGA、PCI—Express，而这些接口扩展性差、成本高。

本系统采用高速的USB接口作为与上位机通信的端口，速度快、易安装、灵活性强。

1 系统框图系统框图如图1所示。

FPGA控制单元采用A1tera公司Cyclone II系列的EP2C5F256C6，主要由4个部分组成——主控模块、CMOS传感器接口、RAM 控制器以及EZ—USB接口控制器。

传感器接口负责完成SCCB时序控制，RAM控制器用于实现RAM读写与刷新操作的时序，USB接口模块完成主控模块与EZ—USB之间的数据读写；而主控模块负责对从EZ—USB部分接收过来的上位机命令进行解析，解析完命令后产生相应的信号控制各个对应模块，如CMOS传感器传输的图像格式、RAM的读写方式、突发长度等。

2 OV7620模块设计图像传感器采用OV7620，接口图如图2所示。

该传感器功能强大，提供多种数据格式的输出，自动消除白噪声，白平衡、色彩饱和度、色调控制、窗口大小等均可通过内部的SCCB控制线进行设置。

OV7620属于CMOS彩色图像传感器。

它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fps；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种。

基于FPGA和线阵CCD的高速图像采集系统辛凤艳;孙晓晔【摘要】In order to meet high-speed and real-time requirements of image acquisition in many areas,introduce a high speed image acquisition system based on FPGA and linear CCD. In the system, linear CCD is used to acquire images, and FPGA controls the timing of the whole system, and data is transferred to computer through USB interface- The system can acquire images of moving objects in color sorter application and has great advantages in terms of speed and real time compared with other image acquisition systems. The use of linear CCD can effectively improve the accuracy and reduce costs. The system has some reference value for the application of image acquisition system in other areas.%针对很多领域对被测物图像采集的高速和实时性要求,文中利用可编程的FPGA和线阵CCD技术,介绍了一种高速图像数据采集与传输系统的设计.该系统选用线阵CCD作为前端信号采集,采用FPGA产生与控制整个系统的时序,通过USB接口将采集到的数据传给PC 机做进一步处理.本系统可在色选机中用于运动目标图像数据的采集,由于采用了高速且具有高度并行性的FPGA技术,在图像数据的高速实时采集和处理上较其他系统具有很大优势,且设计灵活,配合线阵CCD的运用,可有效提高精度、降低成本,对图像采集在其他方面的应用具有参考价值.【期刊名称】《计算机技术与发展》【年(卷),期】2012(022)008【总页数】4页(P205-207,212)【关键词】FPGA;线阵CCD;数据采集;USB【作者】辛凤艳;孙晓晔【作者单位】河北省科学院应用数学研究所,河北石家庄 050081;石家庄开发区冀科双实科技有限公司,河北石家庄 050081【正文语种】中文【中图分类】TP390 引言CCD(Charge Coupled Device)作为一种光电转换图像传感器，可以把图像信息直接转换成电信号，从而实现非电量的电测。

基于FPGA的红外图像实时采集系统设计与实现摘要：随着红外图像在军事、航天、安防等领域的广泛应用，对红外图像的实时采集和处理需求越来越高。

本文基于FPGA设计并实现了一个红外图像实时采集系统，通过系统硬件框架、图像采集流程设计以及软硬件协同优化等方面的探究，实现了高效、稳定的红外图像实时采集和传输，为相关领域的探究和应用提供了重要支持。

一、引言红外图像技术是一种利用物体发射的红外辐射进行成像分析的技术，具有透过阴郁、烟雾等不利环境的能力。

它在军事、航天、安防等领域具有重要应用价值。

红外图像的实时采集和处理对于这些领域的探究和应用至关重要，然而传统的红外图像采集系统存在采集速度慢、波动大、传输距离限制等问题。

因此，设计并实现一种基于FPGA的红外图像实时采集系统具有重要意义。

二、系统框架设计基于FPGA的红外图像实时采集系统主要由硬件和软件两个部分组成。

硬件部分包括红外探测器、FPGA开发板、存储器、图像传输模块等；软件部分主要包括图像采集控制程序和数据处理程序。

硬件框架设计接受分层结构，分为红外图像采集层、控制层、存储层和传输层四个部分。

红外图像采集层包括红外探测器和模拟-数字转换电路，负责将红外辐射信号转换为数字信号。

控制层包括FPGA芯片和时钟控制电路，负责采集信号的控制和同步。

存储层包括高速存储器和图像缓存，负责暂存采集到的红外图像数据。

传输层包括数据传输电路和网络接口，负责将采集到的图像数据传输到外部设备。

三、图像采集流程设计图像采集流程是指将红外图像转换为数字信号并存储的过程。

在红外图像采集层，红外探测器将红外辐射信号转换为模拟信号，经过模拟-数字转换电路转换成数字信号。

在控制层，FPGA芯片控制采集信号的采样频率和位宽，通过时钟控制电路实现同步。

在存储层，高速存储器负责将采集到的图像数据暂存起来，图像缓存则将暂存的图像数据进行处理和压缩。

在传输层，数据传输电路将处理和压缩后的图像数据传输到外部设备。

基于T35F324的FPGA开发板图像采集显示系统方案1.前言个人觉得易灵思的TriOn系列比钛金系列FPGA,就目前而言，更适合做图像显示相关应用，以T35和巨60为例，主要原因如下表所示：易灵思如果专注图像细分领域，毕竟大部分客户还是用DDR和MIPI,因此我觉得钛金系列的架构真的脑袋被驴踢了，DDR和MIP1用硬核才是正确的选择！另外，钛金系列FPGA相对推出时间不够，目前IP也不成熟。

以T35为例，DDR硬核IP在EfinityInterface中直接可以调用DDRIP并设定相关参数，但是钛金系列Ti60还没有包含到工具链中，这让拿不到一手资源的FPGAer就很尴尬，虽然可以理解不集成到IDE中，可以更快的迭代前提不成熟的版本。

M1P1TX/RX 接口，山谷0.8mm40P 接口如上图所示，T35F324的FPGA 开发板，我都做了快半年了，一直没有做一个基于视频图像的像样点的DCm0,甚是惭愧。

为了给当下煎熬的大家送点福利，我打算分2步走，如下：DVP 相机+DDR3+1VDS-1CD 实时显示系统 MIPI 相机+DDR3+1VDS-1CD 实时显示系统前者更关注DDR3硬核、1VDSTX,以及进行并口相机的配置与图像采集，完成实时图像采集、缓存、显示系统；后者则借用1）的基础，更关注MIP1相机的开发，进一步把易灵思FPGA 进行图像采集的优势，发挥一下。

当然这过程肯定还是有不少的坑，有些坑只有自己趟过，才有发言权。

底板串口DC3-40用户接口，兼容兼容@01⑥MT拨动开关BMW 0V5生0等模MIP1摄像头Jr兼容树莓派rOV5640 Efint FPQABOa1Q CraZyfpg>iomEfin1tyT3SF324-Cor∙V1.1一«... M2X>S12202305152.FPGA设计详解言归正传，我们开始干正事：基于T35的摄像头采集、存储、显示系统的介绍。

基于FPGA的图像采集系统设计与实现作者：陈法领、罗海波发布时间：2009-03-101、引言视频图像采集是视频信号处理系统的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。

图像采集系统在当今工业、军事、医学各个领域都有着极其广泛的应用，如使用在远程监控、安防、远程抄表、可视电话、工业控制、图像模式识别、医疗器械等各个领域都有着广泛的应用[1]。

本文介绍了一种基于FPGA的图像采集系统，用户可以根据需要对FPGA 内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现系统的重构[1][2]；而且采用这种设计方案,便于及时地发现设计中的错误,能够有效地缩短研发时间，提高工作效率。

2、系统的总体框架和工作原理整个系统主要分为四个模块：视频解码模块、视频编码模块、存储器模块和FPGA核心控制模块，系统总体框架如图1所示。

图1 系统的总体框图其中FPGA实现的主要功能有：视频编解码器件的初始化，视频图像的采集存储以及将采集的图像数据通过视频编码芯片送到监视器上显示。

系统的工作原理为：系统上电后，FPGA通过FLASH中的程序对完成视频解码和编码芯片的初始化配置；在接到视频AD转换的中断信号后，FPGA将转换的数字图像数据传送到SRAM保存；一帧图像转换结束后FPGA再将SRAM中的数字图像传递给视频编码芯片以便在监视器上显示，同时开始控制下一帧图像的采集。

3、硬件电路设计3.1 AD和DA转换模块本系统采用的视频编解码芯片是ADV7181和ADV7177，下面分别介绍AD和DA转换器件的硬件电路设计。

3.1.1 AD转换模块ADV7181系统是AD公司推出的一款视频解码芯片[3]，它具有如下特点：I2C总线接口，6通道模拟视频输入，支持NTSC、PAL、SECAM视频制式，支持多种模拟输入格式和多种数字输出格式。

本系统中选用其中的通道1作为PAL制CVBS视频输入，数据输出可根据需要采用8位或16位的格式输出。

基于FPGA图像的采集与显示学生姓名：学生学号：院（系）：电气信息工程学院年级专业：指导教师：助理指导教师：二〇一五年五月摘要随着科技社会的飞速发展，数字图像采集与处理系统在科学研究、工业生产，日常生活等众多领域得到越来越广泛的应用，具有广阔的应用前景和研究价值。

在今天，具有图像显示功能的电子产品越来越多，由可视电话、数码相机，ipad 等消费电子产品到门禁系统、数字视频监视等工业控制以及安防产品，处处显示着数字图像采集与处理系统的重要性。

而针对于图像的采集与处理ARM、DSP、FPGA各有所长，其中FPGA的并行高速精确的处理在通信领域、图像处理、大屏显示等方面有着得天独厚的优势。

基于FPGA可编程器件的可编程特性，采用FPGA进行设计的图形采集系统有良好的可扩展性和相对稳定的硬件结构，利用软件编程和硬件逻辑电路来实现图像采集的软件算法，在很大程度上能够提高图像识别速度和系统的体积，大大节约了生产成本。

本次设计利用OV（OmniVision）公司生产的CMOS 7670摄像头进行图像的的采集以及简单的处理，Hynix公司的SDRAM芯片H57V2562GTR—75C做图像的临时存储，FPGA芯片采用的是Altera公司旗下的Cyclone系列芯片第四代产品EP4CE6F17C8N，利用其并行高速精确的优势实现640*480*60fps，每秒共30M带宽的VGA显示。

此次设计的目的是为了将数字图像采集与显示等功能集成在一块单板上。

利用本系统的电路板对图像进行采集、缓存以及通过VGA实现实时显示，在使用过程中摄像头能够正常实现图像采集，SDRAM能够顺利完成图像的存储与读取，FPGA芯片以及程序能够保证整个系统正常运行，并且在VGA显示时图像没有错位和乱码的产生。

关键词图像的实时采集与显示，FPGA，VGA显示ABSTRACTWith the rapid development of science and technology society, the digital image acquisition and processing system in scientific research, industrial production, daily life and so on many fields more and more widely used, has a broad application prospect and research value.Today, which has the function of image shows more and more electronic products, by video phone, digital camera, the consumer electronics products such as the entrance guard system, industrial control, such as digital video surveillance and security products, shows the importance of digital image acquisition and processing system.And for image acquisition and processing of ARM, DSP, FPGA strengths, including the FPGA parallel high-speed precise processing in the field of communication, image processing, display, etc, has a unique advantage.Based on the FPGA programmable features of programmable devices, using FPGA to design the graphic collection system has good scalability and relatively stable hardware structure, software programming and hardware logic circuit is used to realize image acquisition software algorithms, in the very great degree can improve the recognition speed and the volume of the system, greatly saves the cost of production.This design using the OV (OmniVision) company produces 7670 CMOS camera image acquisition and processing, simple Hynix SDRAM chip H57V2562GTR - 75 c for temporary storage of the image and the FPGA chip USES Altera company's fourth generation product EP4CE6F17C8 Cyclone series chip, using the advantage of its parallel high-speed precise realization of 640 * 480 * 60 FPS,VGA display, a total of 30 m bandwidth per second.The purpose of this design is to integrate the function such as digital ima ge acquisition and display on a single board.The circuit of this system is used to analyse the image acquisition, caching, and through the VGA display in re al time, in the process of using normal camera is able to achieve image acqui sition, SDRAM would be able to complete the image storage and read, the FP GA chip, and procedures to ensure the normal operation of the whole system, and when the VGA display image without dislocation and garbled.Key words image real-time acquisition and display, the FPGA, VGA display目录摘要 (I)ABSTRACT................................................................................................................................. I I1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外研究现状、水平 (1)1.3 图像采集技术的发展趋势 (2)2 方案论证与选择 (4)2.1 系统方案设计 (4)2.2 系统方案选择 (5)2.3 本课题的技术指标及主要任务 (5)3 系统的硬件设计 (7)3.1 系统原理及设计框图 (7)3.2 FPGA 芯片的选择与其性能分析 (7)3.1.1 FPGA概述 (7)3.1.2 Cyclone系列芯片介绍 (7)3.3 FPGA 最小系统设计 (10)3.3.1 复位电路设计 (10)3.3.2 内部时钟与外部时钟设计 (11)3.3.3 JTAG下载接口及其保护电路设计 (12)3.4 摄像头的选择及其性能分析 (13)3.4.1 OV7670摄像头 (13)3.4.2 摄像头功能框图 (14)3.4.3 摄像头模块 (16)3.5 SDRAM的选择及其性能分析 (17)3.6 VGA接口设计 (19)4 系统的软件设计 (22)4.1 Verilog编程语言介绍 (22)4.2 整体设计思想 (22)4.3 系统主要结构框图以及功能介绍 (23)4.4 SDRAM工作状态机设计 (24)5 仿真设计与波形 (25)5.1 Quartus开发工具的简介 (25)5.2 逻辑分析仪介绍 (26)5.3 逻辑分析仪捕获波形展示 (27)5.4 效果图展示 (28)结论 (29)参考文献 (30)附录A：原理图模块展示 (31)附录B：程序代码 (35)致谢........................................................................................................... 错误！未定义书签。