（光学工程专业论文）色选数据采集及传输实验平台研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 中国是个产粮大国，但由于农业机械化程度较低，大部分地区主要以人工 作业为主，优质谷物产量低，造成粮食出口的困难。同时，随着国民经济的发 展，人民对食品的精度要求也有所提高。若想生产高质量的精米，色选机是必 不可少的设备。研制高精度、高速度的c c d ( 电荷藕合器件) 色选机是各大色选 机生产企业当前最关注的问题。 本文对色选数据采集与传输实验平台的建立进行了深入的研究。介绍了基 于f p g a 技术、l v d s 技术、u s b 2 0 技术和v b 6 0 软件的色选数据采集与传输 实验平台的实现方法，详细描述了高速c c d 图像信号的采集、传输、处理及 显示等关键部分的原理要点、设计难点、参考电路及相关程序设计，并对该系 统进行了软硬件侧试。 在硬件设计过程中，充分利用了现有芯片资源、控制逻辑来有效合理地控 制f p g a 及u s b 模块的工作时序，成功解决了高速并串转换、高速串并转换、 系统同步、高速上传数据至主机等高速c c d 图像信号采集与传输过程中的核 心问题。 同时，本文给出了配合硬件装置使用的软件平台的设计方法。实现了色选 数据在电脑中的接收、显示与保存。为下一步色选算法的研究提供了动态数据， 为色选算法的验证提供了软件基础。 通过对软硬件平台的多次实验验证，证明了本平台设计方案的实用可行。 为下一步色选机样机的制造提供了参考。 关键词：高速串行通信：f p g a ；l v d s ；u s b 2 o ；v b 6 0 哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e v e r yy e a r , c h i n ac u l t i v a t e sl a r g ea m o u n to fg r a i n b u ti ti sd i f f i c u l tf o rc h i n a t o e x p o r ti t sg r a i ng o o d s ，b e c a u s ei t sl o w - l e v e lo fa g r i c u l t u r em e c h a n i s a t i o n ，m o s tp a r t s o fc h i n as t i l lu s i n gm a n p o w e ra sm a i nw o r kf o r c e 黝t h ed e v e l o p i n go ft h e e c o n o m y , m o r ea n dm o r ep e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h eq u a l i t yo ff o o d ，i n c l u d i n g g r a i n c o l o rs o r t e r sa l en e e d e di nt h i ss i t u a t i o n f a c t o r i e sa l em o s t l yc o n c e m e da b o u t h o wt op r o d u c en e x tg e n e r a t i o nc o l o rs o r t e r s 谢ml l i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n t l i sp a p e ri sa l la b o u tt h er e s e a r c ho fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fc o l o rs o r t e r d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n i ti n t r o d u c e st h em e t h o dt o i m p l e m e n tt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do nf p g a 、l v d s 、u s b 2 0a n dv b 6 0 i te m p h a s i z e s o nt h ep r i n c i p l eo u t l i n e s ，d e s i g nd i f f i c u l t i e s ，c i r c u i t sa n dp r o g r a m s a n di tr e p o r t s t h et e s t i n gr e s u l t so ft h ew h o l es y s t e m t h es y s t e md e s i g nt a k e sf u l la d v a n t a g eo ft h ec u r r e n ti cr e s o u r c e st oc o n t r o l t h et i m i n g so ff p g aa n du s bu n i te f f i c i e n t l y a n ds e r i e sm a n yc o r ep r o b l e m ss u c h a s ：h i g hs p e e dd a t aa c q u i s i t i o n 、h i g hs p e e dp a r a l l e lt os e r i a lc o n v e r s i o n 、h i 【g hs p e e d s e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r s i o n 、s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o na n du p l o a dd a t ai nav e r yh i 曲 s p e e d m e a n w h i l e ，t h i sp a p e rg i v e saw a yt od e s i g nt h es o f t w a r e ，w h i c hi st h e c o u n t e r p a r to ft h ed e v i c e u s e r sc a nr e c e i v et h ed a t a , s a v et h ed a t aa n ds h o wt h ed a t a f i n a l l yb yu s i n gt h i ss o l , r a r e t 址ss o f l ? w a l ec a nn o to n l yp r o v i d ed y n a m i cd a t at ot h e r e s e a r c ho fc o l o rs o r t e ra r i t h m e t i c ，b u ta l s og i v eap l a t f o r mf o rt h ev a l i d a t eo fc o l o r s o r t e ra r i t h m e t i c a f t e rm a n yt i m e so ft e s t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sf e a s i b l e a n de x e r c i s a b l e i ta l s oc a ng i v es o m er e f e r e n c et ot h ed e s i g no fn e x tg e n e r a t i o nc o l o r s o r t e r k e yw o r d s ：h i 曲s p e e ds e r i a lt r a n s m i s s i o n ；l v d s ；f p g a ；u s b 2 0 ；v b 6 0 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：从昊 日期： 3 妒9 年多月，7 曰 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1问题的提出 据国家农业部于2 0 0 7 年1 0 月公布的数据显示，2 0 0 6 年全年粮食种植面积 1 0 5 3 8 万公顷，全年粮食产量4 9 7 4 6 万吨【i 】。可以说中国是个产粮大国，而中 国的粮食出口却未能排进世界粮食出口国前列，前五名分别是：美国、加拿大、 俄罗斯、阿根廷、欧盟。究其原因，各国出口的主要是精谷物( 即优质谷物) ， 而我们国家的农业机械化程度较低，大部分地区主要以人工作业为主，大大降 低了劳动生产率，优质谷物产量更低，造成粮食出口的困难，每年因此损失大 量外汇收入。 改革开放3 0 年来，国民经济发展迅速，国内生产总值增长率连续数年保 持1 0 以上。综合国力迅速增强，人民的生活水平得到了较大幅度的提高。随 着生活条件得到改善，人们对食品安全与食品质量的关注程度与日俱增。超市 中随处可见带有诸如“精选泰国香米”等“精选”字样的谷物商品。高端市场 上国外的品牌占据绝大多数，国内生产的精质谷物品种还比较稀少，而“精选” 类的谷物商品售价平均为普通谷物售价的二倍以上。对于农村人口来讲，粮食 的销售价格直接关系到农民的全年经济收入，大量的谷物未加分级统一出售是 造成农民收入提升过慢的主要原因。 目前国内对谷物进行筛选加工的途径主要有两种：一种是农民小作坊式手 工挑选谷物，一种是谷物加工厂家和粮食收购机构使用设备进行筛选。国内这 种谷物加工厂家共有3 0 0 0 家左右，大部分厂家所用谷物筛选设备为老式光电 式色选机，大部分国产色选机的实用性还停留在国外设备七十年代的水平1 2 j ， 而进口色选机的售价昂贵大多在百万元左右且不易购买。 谷物筛选的主要设备色选机( c o l o rs o r t e r ) 是将颜色存在差异或表面存 在缺陷的不良物料，从大批物料中分拣出来的光电无损检测设备【3 】。以农产品 中的大米为例，通过该设备的色选，可去除黑、红、腹白等异色粒和微小病斑 等瑕疵米粒，以提高大米的纯度。在不合格产品与合格产品因粒度十分接近而 无法用筛选设备分离，或者密度基本相同而无法用比重分选设备分离的场合， 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 色选机却能进行有效的分离，其独特作用十分明显。 色选机具有广泛的应用领域。目前主要集中应用于高速流动颗粒状物料的 选别，如农产品中大米、小麦、瓜子、葡萄干和豆类，工业产品中塑料颗粒、 矿产品，医药业中的药片等，现在正朝向颗粒状物料以外的物料发展，如烟叶、 棉花、海藻、半导体及电子行业微小电子芯片的选别以及诸多机器视觉检测领 域。色选机的作用对象很广泛，适合各类食品加工企业的配套需要网。 2 0 世纪3 0 年代及4 0 年代，美国e s m 公司与英国s o r t e x 公司分别研制了 自己的色选枫，并根据市场需要不甑推出新机型；1 9 9 4 年3 月瑞士布勒公司收 购了英国s o r t e x 公司与美国s c a n c o r e 公司，称布勒s o r t e x 公司。日本佐竹公司 于1 9 7 9 年推出了这种产品，美雪e s m 公司也于1 9 9 2 年与佐竹公司合并，继 续开发生产新型色选机。 布勒s o r t e x 公司己经制造了一系列专用于稻米的大米色选机，世界各地水 稻产区采购的该公司的设备超过了其它任何公司。具有1 4 0 余年专业历史的布 勒，遍及世界1 4 0 多个国家。在2 0 0 2 年9 月，东勒s o r t e x 公司首次在我因推 出了z 系列光电色选机。其高精度的数码相机能检测出小于0 3 m m 的浅淡微黄 点和黑点，是世界上首台能选出微黄粒、红粒等各种异色粒，又能同时去除腹 自的色选机。其杰出的色选能力保证生产的大米晶质一致，色选精度高，次品 中带出的成品少( 带出比小) 。这种高性能的色选机能满足现代消费者日益增长 的品质要求，目前在黑龙江、浙江和江西等地均有使用z 系列色选枕包括z l 、 z 2 、z 3 、z 4 以及它们的升级产品z + 系列。z 系列色选机主要适用于稻米、谷 粒的色选。z + 系列色选机除可用于稻米的色选外，还可用于色类含水量较低的 茶叶、坚果、豆类、咖啡、香料、脱水蔬菜等食品以及非食品( 如塑料粒) 的 色选【5 1 。 美国德尔塔科技公司( d e l t at e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ) ，是一家色选设备的专 业设计制造公司，位于美国休斯顿。一批在色彩分选方面经验丰富的电气正程 师和工艺专家子1 9 7 8 年创立了德尔塔科技公司，它是目前同行业中由原创始 人经营管理时间最长的公司。德尔塔科技公司在色选领域关键技术上拥有多项 专利，成立以来的二十几年里，一直占据着行业内的领先地位，是倍受业内同 仁尊重的企业。德尔塔科技公司的色选机产品主要有两大系列一一q u a n 俐m ( 昆腾) 系列和i g u a z u ( 伊瓜苏) 系列，二十三种规格。在欧洲、美洲等地 2 哈尔滨丁程大学硕十学付论文 拥有庞大的用户群，赢得了用户的认可和赞誉。德尔塔色选机对大米、芝麻、 有壳向日葵、葵花仁、白瓜子、黑瓜子、花生、豆类、小麦、玉米、种子、油 菜籽、咖啡、坚果、珍珠、玉石及其他颗粒状物料按颜色进行分选，均能获得 精确满意的效果，并能满足纯净和高质量的卫生标准。目前他们在湖南郴州市 设立了中国代表处【6 j 。 韩国a t s 贸易株式会社的唯一牌大米色选机，通过了i s 0 9 0 0 1 国际质量体 系认证并获得了韩国k s a 标准协会授予的“最佳产品称号。唯一大米色选 机采用了国际高新技术和高性能元器件，其独具高灵敏性的双面光电感应器和 高速的线扫描c c d 数字摄像技术，结合了高速计算机处理系统和高性能的空 气喷射器，能确保精确分选出各种不良杂质。另外，交互式的操作界面和机器 结构的优化设计，以及电子线路的高度集成化，使操作简便，维护方便，更确 保了机器性能的持久稳定。在厦门、沈阳成立了代表处，并在中国天津开办了 唯一机电有限公司，代理中国业务。目前，唯一公司的最新一代产品即稳定实 用型的a c s 系列的升级版n a c s 系列、成熟型超高精度摄像头版m i d a s 系列， 以及高科技c c d 摄像头版g o l d p l u s 系列都可供用户选择购买。它们均可以 有效地对各种大米、小米、碾米、黑米等进行分选。通过二次循环分选，分选 精度达到9 9 9 9 ，带出比率仅约3 2 8 。设备技术达到了国际先进水平1 7 j 。 1 9 9 8 年1 1 月，由日本佐竹公司在中国苏州创办了佐竹机械( 苏州) 有限 公司，专门生产佐竹各种色选、碾米和制粉设备。佐竹公司是世界著名的粮机 制造商，是稻米、制粉以及干燥设备的专业制造厂家，已有一个多世纪的历史。 在谷物加工方面的科学研究及技术水平处于世界领先地位，其产品畅销世界 1 4 0 多个国家。佐竹机械( 苏州) 有限公司自1 9 9 8 年投产以来，产品己覆盖中 国4 5 地区，在华东、华南、华中、西北、华北的3 0 多个省、自治区、直辖市 拥有上千家客户，提供设备数千台，为中国的粮食产品打入国际市场提供了强 有力的保证，信誉卓著。x s 4 0 0 a 6 0 0 a 8 0 0 a 色选机系列是佐竹公司2 0 0 7 年 度开发的又一杰出产品，其采用新型线性c c d 传感器，利用可视光对大米进 行选别，采用宽溜槽设计，配置更多的喷嘴，全面提升产能。其针对感度介于 胚芽米和白米之间的、普通单象素感度无法有效区别的浅黄米，特别增加了浅 色感度，利用其面域判别有效地解决了难以选别浅黄粒的问题，降低了误判别 导致的带出比，因而可以高效地选出大米中的腹白粒、糯米中的非糯米粒和大 哈尔滨t 程大学硕十学能论文 米中的糯米粒，此外，也可从小麦和其它谷物中准确地分选出异色粒和异色杂 质。x s 系列是目前国际上此类设备中的姣姣割踟。 国内对色选机的研究开始于8 0 年代，以1 9 9 6 年核工业理化工程研究院研 制成功的m m s 2 4 a 型色选机为代表，该色选机可成功剔除大米中的黄斑粒、 病斑粒、腹自粒和其它异色粒，9 6 年通过核工业总公司组织的部缴鉴定，性能 指标达到当时的国际水平，可部分替代进口产品。9 8 年科技部批准列为国家重 点新产品项圈，通过g b f r l 9 0 0 1 标准的质量体系认证。网年，中豳粮油学会推 荐该产品在粮食加工行业中广泛使用。至此以后，国内陆续有多家厂商和科研 院所先后研制了多款色选机。大部分产品能成功完成对谷物( 如大米) 的色选 功能，但是综合性能，指标与国外同期产品比略低闭。 2 0 0 0 年，合肥美贬公司研制的基于d s p 的安科牌数字化双面色选机问世， 一定程度上打破了国外品牌垄断国内市场的局面，同年该棍型获安徽省科学技 术一等奖。2 0 0 4 年，安科牌大产量数字化色选机问世，并被列入国家8 6 3 计划 项爨。2 0 0 5 年，基于c c d + d s p 的数字化色选机研制成功，2 0 0 6 年该机型获国 家科技进步二等奖。2 0 0 6 年，基于c c d 技术的杂粮机研制成功。目前合肥美 皿公司在花生、瓜子、豆类、芝麻、葡萄干及一些不规则颗粒等领域均发展了 大量用户f l o 】。 色选机有诸多的性能指标，以色选机的产量为例，该指标与进机前大米杂 质含量、用户对成品米的精度要求、对色选带出院豹要求、原粮品种紧密相关。 表1 1国内外知名厂家典型机型部分技术参数对比表 公司名称机器型号通道数( 初选复选) 带出比产量( 吨小对) s o r t e x ( 英国) z 一4 v8 4 无统计 9 o 1 6 o d e l t a ( 美国)q u a n t u m 42 5 6 ( 1 9 2 6 4 )无统计 5 o 1 5 o s a n m a x ( 巴两) g 1 0 0 0 0 p - r s 4 8 ( 3 2 1 6 ) 2 ：11 2 2 o 佐竹( 日本) g s1 6 0 0 h i s - c 1 6 0 ( 1 2 0 4 0 )无统计 4 o 1 2 0 a t s ( 韩国) a c s l l o圭l o3 ：l5 o 6 。0 核下业理化工程所 m 俗一1 4 4 a 41 4 4无统计 2 o 6 0 台肥美哑交科 s s - b 2 4 0 c2 4 08 ： 至7 2 1 1 0 随着光电器件和数字图像处理技术的飞跃发展，色选机技术的发展也异常 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 迅速。传统的简单光电式色选机，将逐步被高科技、高精度的c c d 色选机所取 俐1 1 j 。因此，研制采用高精度c c d ( 电荷藕合器件) 图像传感器采集图像的c c d 色选机，特别是色选效果好和单位时间选米量大的色选机，是各大色选机生产 企业的目标。如何提高谷物筛选设备的各项指标并开发新一代产品，早日取得 国外设备水平成为了各大色选机生产企业当前最关注的问题。 1 2 本课题的目的及意义 正如开篇所讲，中国是个产粮大国，据国家农业部公布数据显示，2 0 0 5 年 全年粮食产量4 8 4 0 1 万吨，比上年增加1 4 5 4 万吨，增产3 1 ；2 0 0 6 年全年粮 食产量4 9 7 4 6 万吨，比上年增加1 3 4 5 万吨，增产2 8 ；预计2 0 0 7 年全年粮食 总产量将达到5 1 3 3 7 万吨。每年产量增产率约在3 左右，产量连年增加的同 时，每年出产的精选优质米量却远远不足，若想生产高质量的精米，色选机是 必不可少的设备【1 2 1 。因此色选机市场越来越大且越来越被看好，色选机生产企 业不乏丰厚的利润回报。同时，高质量精米的生产也可以提高我们对国外粮食 的出口量，每年可为国家创造大量外汇收入，对综合国力的提升具有积极意义。 回顾色选机首度在我国出现后的情况，我国色选机市场的发展大致经历了 如下三个阶段f l o j l l 3 】： 1 ) 改革开放初期，以进口为主，多从工业发达国家引进如美国、英国和 日本等，但价格比较昂贵，一般每台8 2 0 万美元，甚至更贵； 2 ) 进入2 0 世纪9 0 年代，我国的一些企业开始研究并仿制国外的色选机， 同时一些中外合资企业开始建立，从而引进了部分国外技术，此时生产出的国 产色选机其性能可接近国外同类产品，价格相对便宜，平均只有国外产品的一 半甚至更低； 3 ) 近些年，我国的一些民营企业和科研院所消化吸收国外的最新技术， 自主开发了基于光电传感器和c c d 传感器的新型高档色选机，起点高，发展 快，性能可以和进口产品媲美，但价格并不高。 为了尽可能瞄准国际先进水平，实现高起点开发，有必要对国产色选机进 行技术革新和产品升级。为实现这一目标，既要尽可能借鉴国际先进技术和思 路，又要符合国情，考虑成功的可能性和市场承受能力，以及国内元器件工业 和加工工业的实际水平，本课题实为某公司预研项目，旨在建立一套高速线阵 哈尔滨t 程人学硕十学能论文 i粼,i 1i u i i i i i i i ii 霉薯宣 c c d 数据采集及簧输实验平台，其性矮为实验性，对一些关键技术进行研究并 验证，为下一步的样机开发研制作理论探索工作。 本课题为色选数据采集及传输实验平台研究，它是应瘸子色选概熬一套实 验平台，包括硬件和软件两部分。硬件电路研究如何实现满足高速c c d 传感 器采样速率、采样精度要求的舞速数据遵信方案，软件部分完成对高速图像数 据鼹示、保存并处理的功能。在此基础上进一步开发新一代色选帆产品，对争 取早目达到国外设备水平、对农民经济收入的提高、对圜民经济的提高具有一 定意义。 1 3 主要研究内容和篇章结构 在本课题中，按研究对象可分为硬件平台、软件平食和通信协议三个部分。 硬件平台部分訾在完成熟下功熊： l 、c c d 输出的模拟信号经a d c 转换后送入发送端的f p g a 等待处理； 2 、发送端f p g a 将a d c 送来的并行数字信号经并串转换以l v d s 方式串 行送至接收端的f p g a ； 3 、接收端f p g a 将接收到的串行l v d s 形式信号转化成并行亿形式信 号焉送给u s b 接霉电路单元； 4 、u s b 接口电路单元将并行信号转化成串行信号以u s b 2 0 传输方式送入 k 撬楚理。 软件部分要求开发一套配合前端商速c c d 色选采集系统的实验平台，完 成对c c d 相机痘动停止的控制，对c c d 所采集得到数据的显示、保存和些 运算处理。 通信协议部分难点在于如何约定套行之有效的协议来准确实现各部分 之闯的高速逶信，氢括发送端与接收端之闻的板闻透信、接收端与u s b 接髓毫 路之间的板内通信、u s b 接口电路与p c 间的通信。最终使传输速度嵩达 16 0 m b i t s 或者更高。 全文结构及篇章划分情况如下： 第一章，绪论。篱单贪绍本课题豹孳| 窭、本课题的意义及主要工作任务。 第二章，系统总体设计。将从系统的角度描述本课题的主要组成部分。包 括系统的组成框图、各部分的功能与设计思想及一些相关的背景知识。 6 啥尔滨工程大学硕士学位论文 第三章，高速数据通信部分。这是本课题的核心，将介绍如何实现商速的 数据传输。将会从通信协议设计、硬件构成、硬件制作等方面详细阐述。 第四章，采集系统软件平台部分。是本课题两大主体之一，包括软件功能 的设计实现及设计中的难点及技巧。 7 哈尔滨：f 程大学硕十学能论文 第2 章总体设计 本章对高速c c d 色选数据采集与传输实验平台总体设计的稠关情况加以 简允，主要有系统设计方案、高速c c d 相机、硬件描述语言、f p g a 基础知识 与设计流程、l a t t i c e 公司的f p g a 芯片及其开发软件_ 帮本系统软彳孛平台静开发工 具等相关内容。 2 1 系统设计方案 嵩速c c d 色选数据采集与传输平台熬设计有两耪方案可以选撵。 第一种方案是选用通用的高速线阵c c d 相机和市面上可购买到的高速数 据采集卡来构建采集系统的硬件平台。大多数数据采集卡会配有自己的系统操 俸软件来配合采集卡的工作，用户购踬后简单地驱动硬件并安装操作软彳孛即可 使用。这种方案的好处显而易见，就是开发周期短。但是这种方案的也有自己 严重莳不怒，包括： 1 ) 采集卡本身不能对采集的数搌进行处理，只能机械地将高速c c d 相机 扭擒获褥的大量数据传给计算机，鸯汁算机来完成对数据醣处理任务，计算机 需要大量存储空间来存储采集得到的原始数据； 2 ) 系统成本比较高，鬓翁性能适用麴高端产黑主要以欧美豳生产的相机 为主，高速c c d 相机大都价格昂贵： 3 ) 市两上的高速c c d 传感器采样频率最高可达4 0 - 5 0 m h z ，其串行传输 速率相当予3 2 0 m b i t s - - 4 0 0m b i t s 。但酉采购到的数据采集卡不是其传输速率不 能满足此频率要求就是价格离昂。 第二种方案是囱行开发全套系统。首先，魏买高速线阵c c d 图像抟感器 配合控制芯片构建符合项目要求的专用高速c c d 相机；然后，设计开发专用 的信号采集与传输的硬 孛平台，编写自己懿透信协议；最怎，借助于v b 或v c 等高级程序语言开发出一套自己的软件平台进行上位机( p c ) 对下位机( 采集系 统硬件装置) 的操控及采集得到数据的处理和挝示。 这种方案的优点是灵活性强，它完全根据用户静应厝需求开发与之配合的 采集、传输、处理及显示系统，量身定做，针对性强，同时相对第一种方案来 8 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 讲成本也较低。缺点是全套系统均由设计者自行开发设计，研发的周期比较长， 研发的难度比较大。 本课题所选用的高速线阵c c d 图像传感器的采样频率可高达4 0 m h z 。本 实验平台的建立旨在研究如何实现高速数据通信方案，软件部分完成对高速图 像数据显示、保存并处理的功能。本设计预期实现单路数据传输速率达到 2 0 m b y t e s ，双路数据传输速率达到4 0 m b y t e s 。因此，从实验成本和本课题的 应用技术指标来考虑，决定采用第二种方案来构建高速线阵c c d 色选数据采 集与传输实验平台。 2 2 采集与传输实验平台整体框架 高速线阵c c d 色选数据采集与传输实验平台整体系统框架如图2 1 所示： 图2 1 实验平台整体框架图 从图中可以看到，实验平台整体可分解为以下三部分： 1 、图像数据采集部分 2 、高速数据传输部分 3 、系统操作软件部分 以c c d 为核心的图像数据采集部分，应用一片l a t t i c e 公司的e c p 2 系列 f p g a 芯片l f e 2 1 2 e 来完成对c c d 的驱动和a d c 的时序控制，最终给出经 a d c 转换后的8 位并行数据。本部分中c c d 和a d c 驱动的相关技术本实验 室已经研究成熟，并不需要本课题再做深化探索。本课题的研究起点从f p g a 接收a d c 送来的并行数字信号开始。 高速数据通信部分，采用两片f p g a 芯片l f e 2 1 2 e ，用硬件描述语言编 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 写串行通信协议，管理两端的通信。发送端的f p g a 将a d c 送来的并行数据 串行化后发送，接收端的f p g a 把接收到的数据解串后转成并行数据送至u s b 模块，同时驱动并管理u s b 模块将数据传送给p c 。 采集系统软件平台部分，运用v b 开发出一套配合前端采集系统的软件将 采集的数据、图像直观地显示给使用者。 2 3高速c c d 相机的设计 高速c c d 相机的设计并不是本课题研究的重点，本小节旨在对整个高速线 阵c c d 色选数据采集与传输实验平台的数据来源部分作以简单的背景情况介 绍。 2 3 1c c d 传感器简介 6 0 年代末期，美国贝尔实验室的w s 波涅尔与g e 史密斯等人在研究磁泡 时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念 和一维c c d 器件模型。同时预言了c c d 器件在信号处理，信号储存及图像传感 中的应用前景。鉴于美国m o s 器件工艺及硅材料研究的雄厚基础，这种新型器 件的设想很快得到了实现，至1 9 7 4 年，美国r c a 公司的( 5 1 2 x 3 2 0 ) 象元面阵 c c d 摄像机首先问世。随着大规模集成电路工艺的不断完善和推广，其它一些 国家也相继赶上，纷纷研制成功了c c d 器件。目前，尽管美国在c c d 技术方面 仍处于世界领先地位，但在中低档器件及整机方面，日本已雄霸世界市场，线 阵c c d 象元数在不断增加，性能也有明显提高。根据不同用途的需要，目前已 经研制出多种类型和规格的线阵c c d 传感器，并正向高灵敏度，高密度，高速 度和宽光谱响应方向发展【1 4 】 1 5 】。 2 3 2i l p 1 4 0 9 6 简介 本实验平台中，图像数据采集部分的高速线阵c c d 芯片选用的是加拿大 d a l s a 公司生产的i l p 1 4 0 9 6 。该款线阵c c d 图像传感器的有效感光单元 ( v a l i dp h o t o c e l l ) 为4 0 9 6 个，像元大小是1 01 tm x1 0i tm ，感光面积为1 0 0u m 2 ，双相输出，每相输出数据频率最高可达2 5 m h z t l 6 1 ，本课题中实际应用速率 为2 0 m h z 。由于i l p 1 - 4 0 9 6 精度高，感光响应快，因此在卫星成像、靶场及工 1 0 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 业非接触测量等领域具有较强的实用性【1 7 】【1 8 】。 2 4 基于f p g a 的硬件设计基础 2 4 1 硬件描述语言简介 硬件描述语言( h d l ) 1 9 】是用一种用形式化方法来描述数字电路和设计数 字逻辑系统的语言，是硬件设计人员和电子设计自动化工具之间的界面。和通 常的软件程序设计语言不同，其主要目的是用来编写设计文件，建立硬件器件 的模拟模型。硬件系统的基本性质和硬件设计的方法决定了硬件描述语言的主 要特性。硬件描述语言的语法和语义的定义是为了能描述硬件的行为，它应当 能自然地描述硬件中并行的、非递归的特性以及时间关系。硬件描述语言发展 至今已有几十年的历史，并成功地应用于设计的各个阶段：模拟、验证、综合 等。h d l 于1 9 6 2 年由i v e r s o n 提出，随后许多高等学校，科研单位，大型计算 机厂商都相继推出了各自的h d l ，对设计自动化起到了促进作用。进入8 0 年 代后期，硬件描述语言向着标准化的方向发展。最终，v h d l 和v e r i l o gh d l 成为i e e e 技术标准。 2 4 2 硬件描述语言的特征 1 ) 硬件描述语言既包含一些高层程序设计语言的结构形式，同时也兼顾描 述硬件线路连接的具体构件。 2 ) 能将电子系统在不同的抽象层次上进行精确而简练的描述。硬件描述语 言采用自顶向下的数字电路设计方法，主要包括三个领域五个抽象层次，如表 2 1 所示： 表2 1h d l 抽象层次描述表 淤 行为领域 结构领域物理领域 抽象层次 系统级性能描述部件及其逻辑连接方式芯片、模块、电路板 和物理划分的子系统 算法级 i o 应答算法级 硬件模块数据结构 部件之间的物理连 接、电路板、底盘等 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 寄存器并行操作寄存器算术运算部件、多路选择器、 传输级 传输、状态表寄存器总线、微存储器之间的 芯片、宏单元 物理连接方式 逻辑级用布尔过程叙述门电路、触发器、锁存器标准单元图 电路级微分方程表达晶体管、电阻、电容、电感晶体管布图 3 ) 硬件描述语言具有并发特征，即具有在同一时刻执行多任务能力。 4 ) 硬件描述语言有时序的概念。一般来讲，编程语言是没有时序概念的， 但在硬件电路中从输入到输出总是有延迟存在的，为描述这些特征硬件描述语 言需要建立时序的概念。因此，使用硬件描述语言除了可以描述硬件电路的功 能外，还可以描述其时序要求。 5 ) 能在每个抽象层次的描述上对设计中的系统进行模拟验证。模拟验证是 硬件描述语言设计电子系统的最主要特点之一。一方面，采用h d l 描述进行 设计时，在每个抽象层次上都可以进行模拟仿真，及时发现可能存在的设计错 误，从而保证整个设计过程的正确性。另方面，目标系统性能的好坏，也只 有通过模拟才能反映出来，因而描述的可模拟性也是实现e d a 工具中各类优 化设计技术的基础和保证。 6 ) 高层次的h d l 描述与具体工艺实现无关，便于标准化与可重用设计技 术。在进行逻辑综合以前，寄存器传输级及其更高层次的h d l 描述与具体的 实现工艺无关。同样一个用h d l 描述的设计，最后可以用f p g a 实现，也可 以进行流片生产，不同的只是逻辑综合时映射到不同的工艺库中加以实现。作 为语言本身，v e r i l o gh d l 和v h d l 都为i e e e 标准，这样使设计可能会偏向于 按照一定的规范标准来进行，这对发展可重用设计技术，提供了实现的可能性。 2 4 3 硬件描述语言的设计流程 1 ) 自顶向下( t o p d o w n ) 设计的基本概念 自上而下的设计是从系统开始，把系统划分为基本单元然后再把每个基本 单元划分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用e d a 元 件库中的元件来实现为止。一个完整的复杂数字逻辑电路和系统的硬件设计可 采用这种层次化、结构化的分级设计方法。这种设计隐含着硬件设计方案的逐 次分解，可以用图2 2 所示的设计树描述。在这个设计树上，节点对应着该层 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i l i l li i i i l l l 葺葺 次上基本单元( 模块) 的行为描述，数枝对应着基本单元的结构分解。在层次 设计硬件描述语言描述中，随着层次由顶到底，描述方法也由行为描述转向结 构描述，只是主要的描述由行为描述建模，丽辅助模块由结构攒述建立模型。 图2 2t o p - d o w n 设计方法 自顶向下设计的优点是：在设计周期伊始就做好了系统分析；由于设计的 主要模拟和调试过程是在高层次完成的，新以能够早期发现结构设计上的错 误，避免设计工作的浪费，同时也减少了逻辑模拟的工作量；自顶向下的设计 方法方便了从系统划分和管理整个项强傻褥几十万门甚至几百万门规模的复 杂数字电路的设计成为可能，并可减少设计人员，避免不必要的重复设计，提 高了设计的一次成功率。缺点：最小单元不标准，制造成本高。 2 ) 设计流程 硬件描述语言的设计流程如图2 3 所示。 图2 3 硬件描述语畜设计流程醋 其中，总体方案是针对芯片级的；软件模拟用来检测程序上的逻辑错误的：硬 件模撅要根据所搭成酶硬件电路来检查逻辑和时序上的错误。 通过图1 3 可以看出，设计流程主要由两大主要功能部分组成。 ) 设计开发：编写设计文件- 综合呻布局布线_ 投片生成一系剜步骤。 2 ) 设计验证：就是进行各种模拟的一系列步骤，如果在模拟过程中发现闯 题就返回设计输入进行修改。 1 3 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 2 4 4f p g a 简介 在数字化、信息化时代，数字集成电路应用得非常广泛。随着微电子技术 与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规 模集成电路( v l s i c ) 逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低 了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，推动了社 会的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷 制约着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要， 在实验室就能设计和更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用。 这就是可编程逻辑器件提出的基本思想【2 0 1 可编程逻辑器件从早期的只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程 只读存储器( p r o m ) ，紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存储 器( e e p r o m ) ，发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现场 可编程逻辑器件( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。随着工艺技术的发展与 市场需求，超大规模、高速、低功耗的新型f p g a c p l d 不断推陈出新。 新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p l d 或数字处理器( d s p ) 内核，在 一片f p g a 上进行软硬件防同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ：s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持【2 i 】。 2 4 5l a t t i c e 公司e c p 2 系列f p g a 芯片简介 本课题中选用的是l a t t i c e 公司生产的e c p 2 系列f p g a 芯片l f e 2 1 2 e 。 它是高性价比，低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的数字系统的设计 要求的f p g a 的典型代表。它的单片售价约为人民币7 0 元，而同性能指标的 其它厂家的f p g a 芯片售价从几百到上千元人民币不等。l f e 2 1 2 e 具有2 4 k b i t s 的分布式r a m ，2 4 个内置1 8 x 1 8 乘法器，2 个通用p l l ，2 个通用d l l ，1 4 4 脚t q p f 封装中9 5 个脚可供用户配置，1 2 伏低功耗供电，全面支持l v 兀l 和l v c o m s 3 3 2 5 1 8 1 5 1 2 以及l v d s ，b l v d s 等接口方式。系统全局时钟最 高可达4 7 5 m h z ，完全满足本课题的实验需求勿1 2 3 。 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 4 6 l a t t i c e 公司f p g a 开发软件i s p l e v e r 简介 i s p l e v e r 是l a t t i c e 公司最新推出的一套e d a 软件。提供设计输入、h d l 综合、验证、器件适配、布局布线、编程和在系统设计调试。设计输入可采用 原理图、硬件描述语言、混合输入三种方式。能对所设计的数字电子系统进行 功能仿真和时序仿真。软件中含有不同的工具，适用于各个设计阶段。软件包 含s y n p l i c i t y 公司的“s y n p l i f y 、e x e m p l a rl o g i c 公司的“l e o n a d o ”综合工具 和l a t t i c e 的i s p v m 器件编程工具。i s p l e v e r 软件提供给开发者一个有力的工 具，用于设计所有莱迪思可编程逻辑产品。软件不仅支持所有l a t t i c e 公司的 i s p l s i 、m a c h 、i s p o d x 、i s p g a l 、g a l 器件，还支持莱迪思新的f p g a 、 f p s c 、i s p x p g a t m 和i s p x p l d t m 产品系列。这使得i s p l e v e r 的用户能够 设计所有l a t t i c e 公司的业界领先的f p g a 、f p s c 、c p l d 产品而不必学习新的 设计工具1 2 4 1 1 2 5 1 。 2 5 软件平台开发工具的选择 用于开发软件平台系统的程序设计语言有许多种根据上节中所述的软件 平台主要功能需求并结合前端采集装置的硬件具体情况，包括c c d 、f p g a 、 u s b 单元的工作特性等来考虑，v c ，v b ，v c + + 都可以做到。但从简单易学 的角度来讲v b 是最理想的选择。其可视化的界面设计功能，丰富的控件，强 大的功能，轻而易举地将程序设计人员从繁琐的代码设计中解脱出来。v b 可 以方便地使用d l l 来实现对下位机u s b 的i o 口的输入输出功能的调用，同 时又可通过对a p i 函数的调用来实现串口通信，进而通过u s b 与f p g a 实现 对前端高速c c d 相机采集得到的图像进行显示和数据的存储，因此作者选择 了v b 6 0 作为本平台的软件开发工具。 v i s u a lb a s i c 是m i c r o s o f t 公司在原b a s i c 语言的基础上开发出的新一代 面向对象的程序设计语言，是w i n d o w s 环境下的最具吸引力的程序设计语 言之一。它之所以受到广大专业编程人员和编程爱好者的青睐，是因为具有以 下一些特点1 2 6 11 2 7 1 ： ( 1 ) 面向对象 v b 采用面向对象的程序设计思想，它的基本思路是把复杂的程序设计问 1 5 哈尔滨：r 程大学硕十学位论文 题分解为一个个能够完成独立功能的相对简单的对象集合。 ( 2 ) 事件驱动 程序是以事件驱动方式运行的，每个对象都能响应多个不同的事件，每个 事件都能驱动一段代码，该代码决定了对象的功能。 ( 3 ) 软件的集成式开发 v b 为编程提供了一个集成开发环境。在这个环境中，编程这可以设计界 面、编写代码、调试程序，直至把应用程序编译成可在w i n d o w s 中运行的可执 行文件，并为它生成安装程序。 ( 4 ) 强大的数据库访问功能 v b 提供了a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t a c t i v e x 数