（光学工程专业论文）基于dsp的光电图象采集与处理系统的设计.pdf

_ _ 1 j x i i l 哪i i i i l m 川l l l l l y 1713 7 4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：雌日期：加f ，年岁月77 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型 日期： 夕卢年s 月j 1 日 导师签名： 一 i 鲁 随着市场上纸币流通量的增大 币的挑剔和回收是个相当繁琐的工 分自动化是银行纸币清分业务发展 的编号、面额、新旧、残缺等特性 融行业的光、机、电一体化的高端 自动化代替繁琐的手工劳动。所以，成本低、性能高的纸币清分机，有着很大的 研究价值和应用价值。本文所设计的基于d s p 的光电图象采集与处理系统正是运 用于纸币清分机。 本文首先介绍了课题研究的背景和意义，介绍了国内外纸币清分机的发展历 史和现状，并介绍了纸币清分机的相关技术。针对当前纸币清分机的不足，设计 了一套以数字信号处理器d m 6 4 2 为中央处理器，以接触式图像传感器为图像采集 工具，以现场可编程门阵列f p g a 为逻辑控制器件的光电图像采集与处理系统。 本文的主要工作是给纸币清分机算法的运行搭建硬件平台，设计了整个系统 的原理图，包括d s p 最小系统和外围电路的设计，c i s 传感器电路和a d 转换器 电路的设计，f p g a 电路设计以及整个电路的p c b 设计与调试。软件方面，主要完 成了f p g a 内部逻辑控制程序的编写，d s p 底层软件编写和自举加载程序编写。f p g a 程序包括控制c i s ，控制a d ，采集、缓存、传输图像信号。d s p 程序包括控制 s d r a m ，控制f l a s h ，控制m c b s p 等。最后，将采集到的纸币图像信号传入d s p 内 部，通过图像二值化算法的运行验证了整个硬件平台的正确性。 实验表明，本文所设计的光电图象采集与处理系统能够给纸币图像的处理工 作提供一个稳定可靠的硬件平台，具有较高的实用价值。 关键词：纸币清分，d s p ，f p g a ，接触式图像传感器，图像采集 1 1 1 区 - a b s t r a c t a b s t r a t l ： o l db i l l sh a sb e e nm o r ea n dm o r ew i t ht h ei n c r e a s eo fb i l l si nt h em a r k e t i t sv e r y t e d i o u st op i c ku pt h o s eo l db i l l s ，s 0i t sn o ts u i t a b l et or e l yo nc u m b e r s o m em a n u a l l a b o r t h ea u t o m a t i o no fp a p e rc u r r e n c ys o r t i n gi sa ni n e v i t a b l et r e n do f t h eb a n kw o r k o fp a p e rc u r r e n c ys o r t a sa na d v a n c e df i n a n c i a ld e v i c e ，t h ep a p e rc u r r e n c ys o r t e r i n t e g r a t e so p t i c s ，m e c h a n i c s a n de l e c t r o n i c a l t o g e t h e r t or e c o g n i z et h en u m b e r , d e n o m i n a t i o n o l da n dn e w 嬲w e l l 弱d e f o r m i t yo ft h eb i l l s ，a n d a sar e s u l tt o d i s t i n g u i s ht h en e w e rb i l l sf r o mt h eo l d e ro n e s t h eu s eo fp 印e rc u r r e n c ys o r e r b r i n g si nm e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i o nw h i c hc a nr e p l a c et h et e d i o u sm a n u a lw o r k a n dn o w , l o w c o s th i g h - - p e r f o r m a n c ep a p e rc u r r e n c y s o r t e rh a sb e e n w i d e l y r e s e a r c h e da l lo v e rt h ew o r l d t h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n d s pi su s e di np a p e rc u r r e n c ys o r t e r t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e t h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no f t h e c u r r e n c ys o r t e ra sw e l la st h er e l e v a n tt e c h n o l o g i e sa r ef i r s ti n t r o d u c e di nt h ep a p e r c o n s i d e r i n gt h es h o r t a g eo fc u r r e n tp a p e rc u r r e n c ys o r t e r , a no p t i c a li m a g ea c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h es y s t e mu s e sd s pd m 6 4 2 a st h ec p u ， t h ec o n t a c ti m a g es e n s o ra si m a g ec a p t u r et o o l sa n d f p g aa st h el o g i cc o n t r o l d e v i c e t h ed e t a i l so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mc o n s t u c t i o ni sd e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n o fm i n i m u ms y s t e ma n dp e r i p h e r a lc i r c u i to fd s p , c i sc i r c u i ta n da dc i r c u i t ，f p g a c i r c u i ta n dp c b a d d i t i o n a l l y , l o t so fe f f o r t sa r ed o n eo nt h es o f t w a r ed e s i g n ，f o r i n s t a n c e ，t h ed e s i g no ff p g al o g i cc o n t r o lp r o g r a m ，d s pl o w - l e v e ls o f t w a r ea n d b o o t l o a dp r o g r a ma r ea l s od e s c r i b e di nt h ep a p e r t h ef p g ap r o g r a mi sd e s i g n e dt o c o n t r o lt h ec i sa n da d ，a sw e l la sc a p t u r e ，s t o r ea n dt r a n s f e rt h ei m a g es i g n a l t h e d s pp r o g r a mi sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h es d r a m ，f l a s ha n dm c bs p f i n a l l y , t h e c o l l e c t e di m a g es i g n a l st r a n s m i t i n t ot h ed s ei m a g eb i n a r i z a t i o na l g o r i t h mr u n n i n g i nt h ed s pv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h a tt h eo p t i c a li m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m i i i ， i i i 一 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 本章小结4 第二章系统总体方案5 2 1 引言5 2 2 原理框图及系统的工作流程5 2 3 主要模块的功能6 2 4 本章小结6 第三章图像采集电路7 3 1 引言7 3 2c i s 采集技术7 3 2 1 图像传感器的选择7 3 2 2c i s 结构和工作原理8 3 3a d 转换电路设计1 0 3 3 1a d 转换器的选型1 0 3 3 2a d 9 8 2 2 介绍1 0 3 3 3a d 电路设计1 l 3 4f p g a 电路设计1 2 3 4 1f p g a 介绍1 2 3 4 2f p g a 开发流程1 3 3 4 3s p a r t a n - 3 a 系列f p g a 介绍1 4 3 4 4f p g a 配置电路1 5 目录 电电路 3 5f p g a 程序设计 3 5 1 系统时钟模块 3 5 2c i s 控制模块 3 5 3 配置a d 寄存器模块 3 5 4a d 控制模块 3 5 5 图像数据缓存模块 3 5 6 对h p i 口的控制模块 3 6 本章小结 第四章图像处理电路 4 1 引言 4 2d s p 概述 4 2 1d s p 芯片特点 4 2 2d s p 系统开发流程 4 2 3c s l 介绍 4 2 4d s p 芯片选型 4 3t m s 3 2 0 d m 6 4 2 介绍 4 3 1c p u 单元 4 3 。2 内部存储器 4 3 3 片内外设 4 4d s p 电路设计 4 4 1 电源电路 4 4 2 时钟电路 4 4 3j t a g 电路 4 4 4 复位电路 4 4 5s d r a m 接口电路 4 4 6f l a s h 接口电路 4 4 7h p i 接口设计 4 4 8m c b s p 接口电路 4 5 引导模式选择； 4 6b o o t l o a d e r 程序设计 v m坞加孔弱鹬孔札n n弛髂驰弱弘盯驱们如铊鸲钙的的 一 一 目录 4 7f l a s h 的烧写5 2 4 8 本章小结5 4 第五章p c b 设计调试与实验验证5 5 5 1 引言5 5 5 2p c b 设计5 5 5 2 1p c b 布局5 5 5 2 2p c b 布线5 7 5 2 3p c b 电源和地线分配的设计5 8 5 3p c b 调试5 8 5 3 1p c b 调试过程5 8 5 3 2s d r a m 的测试5 9 5 5 3m c b s p 调试6 0 5 3 4h p i 调试6 1 5 4 硬件平台的验证6 2 5 4 1 图像二值化算法简介6 2 5 4 2 实验验证6 3 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 附录：p c b 实物图。7 2 攻硕期间所取得的成果7 3 v i 一 一 4 7 4 8 第五章 5 1 5 2 5 3 5 3 4h p i 调试6 l 5 4 硬件平台的验证6 2 5 4 1 图像二值化算法简介6 2 5 4 2 实验验证6 3 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 附录：p c b 实物图7 2 攻硕期间所取得的成果7 3 v i 第一章引言 1 1 课题研究的背景与意义 第一章引言 随着我国国民经济持续、快速、稳定的发展，市场上的各类交易也越来越丰 富和频繁，这就使得纸币流通量不断增长。在纸币流通过程中，逐渐出现了不少 问题，比如流通中存在不少残缺破旧的纸币。为了提高流通纸币的整洁度，各商 业银行要按照不宜流通人民币挑剔标准对破损的不宜流通的纸币进行回收， 使之不再流通。对这些破旧纸币的挑剔、分版和回收是个相当繁琐的工作，这些 工作不适合依靠繁重的手工操作进行，那样会存在挑剔结果不准确的问题。解决 这个问题的根本出路就是大力推广使用纸币清分机，纸币清分机就是在这种趋势 下产生和发展的幢1 。 纸币清分机是能够识别纸币的编号、面额、新旧、残缺等特性，满足新旧纸 币自动清分的一种仪器。它是运用于金融行业的光、机、电一体化的高端设备， 它的主要作用是自动清分并回收不符合流通标准的纸币。 纸币清分机是金融行业电子化、自动化的一种有效工具。在我国，各类银行业 及其它储蓄机构有几百万家，而只有为数不多的银行机构在使用纸币清分机，并 且大多采用的是国外产品，纸币清分机在国内金融领域仍然有着很大的市场和需 求。因此，研究纸币清分系统这一课题，自主开发出高性能的产品，必将会有着 很大的研究价值和应用价值。 本课题所完成的基于d s p 的光电图象采集与处理系统是纸币清分机的图像采 集处理子系统，它应该为纸币清分机的图像处理提供一个稳定可靠的硬件平台和 快速准确的算法实现，并且应该是性价比高，体积小，易于扩展的一个系统，它 的研究对于清分机性能的提高具有重要意义。 1 2 课题研究现状 第一台纸币清分机出自上世纪7 0 年代，由德国的捷佳德( g & d ) 公司制造。 科技人学硕十学位论文 家一直致力于清分机的研究。到目前，纸币清分 并且相关技术己相当成熟。国外比较著名的纸币 佳德、英国的得利来、同本的东芝、光荣，英国 的德利来等公司，它们的产品在市场上占有份额很大。 与国外相比，国内在研究开发纸币清分机方面则相对落后，到2 0 0 0 年我国自 主研发清分机的产品领域仍然是一片空白b 1 。在那之前，国内的市场都是被困外 的金融设备商垄断，导致价格十分昂贵，并且困外产品并不是非常适合人民币的 清分。所以，在进入新世纪以来，随着清分机需求的逐步增大，国内的金融机具 制造商与国内著名大专院校协作，才初步实现了清分机的困产化，使清分机有了 围产品牌。国产清分机中，比较有代表性的有松花江的c f 2 0 0 0 、沈阳信达的x d 2 1 8 8 系列和清华同方的c s - i o o c n 。其中，“松花江”牌纸币清分机至今已在国内多个城 市推广应用，是困内第一个商品化批量生产的国产品牌，并得到用户的认可，打 破了进口产品一统天下的局面。在近l o 年的研发过程中，国产品牌的技术水平逐 渐成熟。实践证明，由于国产清分机的价格优势以及更适合人民币的清分，使得 国产纸币清分机所占市场份额越来越大。 当然，由于技术上的差距以及起步相对较晚，使得国产清分机相比于国外知 名品牌在识别速度和精度方面还存在较大的差距。主要原因是由于国内应用图像 处理技术还不够成熟，使得清分机在一些复杂算法上实现上还有一定难度，经过 实际的测试发现，这些国产纸币清分机挑残能力弱，清分速度不高、清分效果及 稳定性都不够理想。 1 3 课题相关技术简介 1 3 1 清分机硬件技术 一个稳定的、高性能的硬件平台是清分机充分发挥性能的保障。在纸币清分 机研发的几十年中，信息技术飞速发展，使得清分机的硬件平台也随之发展。从 早期采用的5 1 单片机及8 0 4 8 6 处理板，到如今的嵌入式系统，都推动了清分机硬 件平台的发展。直到2 0 0 0 年后t i 高性能数字信号处理器d s p 的出现，研制清分 机的科研学者纷纷考虑以d s p 为核心的图像处理系统作为清分机的硬件平台，如 此可以简化硬件结构、降低成本并且提高运算速度。最早被用于清分机产品上的 2 第一章引言 d s p 芯片是t m s 3 2 0 c 3 1 ，相关资料表明瞄一3 ，t a k e d a 教授使用该d s p 处理器来运行 相关的纸币识别算法，达到了预期的效果，但是由于c 3 1 本身运算能力的局限， 使清分机体型相当庞大，并且运算速度也不高。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，综合了之前d s p 的所有优点，具有更高的性价 比和低功耗，特别是以c 6 4 x 为内核的d m 6 4 2 ，是专门针对多媒体处理领域的d s p 处理器，运算速度快，资源丰富，特别适合实时图像处理领域的应用。 1 3 2 纸币识别技术 纸币清分机的算法是实现其功能的关键技术，其中图像识别技术是其最关键 的部分。如今，图像识别技术已广泛应用于多个领域，光学字符识别o c r ( o p t i c a l c h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ) 技术就是它的一个应用。纸币图像识别问题的本质就是 一个模式识别问题，算法的核心任务就是对纸币图像进行特征提取和选择，然后 利用图像处理技术进行相应的处理。 图像识别技术应用于清分机的研发始于上个世纪九十年代，一些发达的西方 国家相继进行了研发。其中，同本的t a k e d a 教授和o m a t u 教授领导的科研队伍尝 试了多种模式识别算法来识别纸币口一1 ，他们利用反向传播神经网络算法，将其应 用于美元和同元的清分系统，使识别率达到9 0 以上；其后，他们又提出混合型网 络，s o m 网络，p c a 网络等多种方法，在仿真阶段取得了很好的效果。其他国家的 学者也相继提出不同的算法用于识别自己国家的钱币，也都取得了不错的效果。 1 4 论文主要研究内容 本文主要完成的工作是设计纸币清分机的图像采集和处理系统的硬件平台。 本文在分析了系统的需求以及研究了国内外清分机设计思路的基础上，构建了系 统的整体硬件架构：以d s p 为中央处理器，以c i s 为图像采集工具，f p g a 完成各 种接口逻辑和时序匹配。主要完成的工作有：设计系统方案，绘制系统的电路原 理图；进行印刷电路板设计和调试；编写f p g a 逻辑程序；编写d s p 底层软件和加 载引导程序；对纸币识别算法的初步研究。 本文共分六章，各章的内容如下： 第一章介绍了本课题研究工作的背景与意义、纸币清分机的国内外研究现状 以及相关技术的简介，最后介绍了本文主要的研究内容及各章节内容安排。 3 4 主 a d 展，适合实时信号处理。 本文以d s p 为中央处理器，通过d s p 实现对纸币图像的处理，f p g a 作为系统 的逻辑控制器，主要负责图像的采集和整个系统的逻辑控制。本章简要介绍了系 统的总体方案设计和主要模块的功能。 2 2 原理框图及系统的工作流程 图2 - 1 系统原理框图 如图2 1 是整个图像采集处理系统的原理框图。工作流程如下：在p c b 通电 后，系统复位并初始化，f p g a 产生的驱动脉冲驱动c i s 图像传感器工作，纸币在 外部走纸机构的配合下，由c i s 采集图像，采集到的模拟纸币图像信号经过a d 转换器之后产生的数字信号由f p g a 采集，采集到的数字图像信号在f p g a 内部经 5 电子科技人学硕十学何论文 的h p i 接口送入d s p 。在d s p 内部，对一幅图像信号 缓存后，在d s p 内部对其进行相关的图像处理，处理 完一张纸币的图像信号后，根据处理结果，另外的控制机构将其自动清分。根据 需求，还可以将结果通过d s p 的串口传给p c ，作进一步的分析。 2 3 主要模块的功能 系统主要模块包括c i s 图像传感器、a d 转换器、f g p a 、数字信号处理器、 存储器等。下面简要介绍下各模块的功能。 ( 1 ) c i s 图像传感器 c i s 图像传感器是采集纸币图像的装置。纸币通过另外的机械装置，由传动 机构将其送到c i s 图像传感器。c i s 对图像实行动态采集，以类似扫描仪的方式 产生纸币图像信号。 ( 2 ) a d 转换器 a d 转换器是将模拟信号转变为数字信号的模块，以方便进行数字图像处理。 ( 3 ) f p g a f p g a 主要起到全局逻辑控制作用和对数据的缓存拼接的作用。f p g a 编程灵 活，主要给c i s 提供驱动信号，给a d 提供工作时钟，配置a d 的工作模式。另 外，对采集到的数字信号缓存，将多路信号按顺序拼接好，然后传送给d s p 。 ( 4 ) 数字信号处理器 d s p 是本系统的核心部件，主要负责纸币数字图像的相关处理，以及将处理 结果通过串口传给p c 机。 ( 5 ) 存储器 本系统的存储器由f p g a 外接的f l a s h 以及d s p 外接的s d r a m 和f l a s h 组成。 f p g a 的f l a s h 存储f p g a 的程序。d s p 的s d r a m 存储在图像处理过程中的数据， f l a s h 存储存储d s p 的程序，并完成自动加载。 2 4 本章小结 本章简要介绍了纸币清分机图像采集与处理系统的硬件平台总体原理框图 和系统主要模块的功能。 6 第三章图像采集电路 3 1 引言 第三章图像采集电路 纸币清分机图像采集处理系统由硬件系统和软件系统组成。硬件平台的稳定 可靠是纸币图像算法处理充分发挥作用的前提，所以硬件系统的设计是整个纸币 清分机系统研发的关键。而c i s 采集到的图像质量将直接影响到整个系统后续的 工作。图像采集电路主要包括c i s 电路、a d 电路和f p g a 电路，本章将详细阐述 与图像采集相关的硬件电路和逻辑程序。 3 2cis 采集技术 3 2 1 图像传感器的选择 图像传感器是利用光电转换原理将光信号转换为电子信号的装置。在图像采 集系统中，常用的图像传感器有三种：电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ) 、互补金属氧化物半导体c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 和接触式图像传感器c i s ( o n t a c ti m a g es e n s o r ) 冷。 c c d ( 电荷耦合器件) ：c c d 发展时问长，技术及制造工艺都已相当成熟。c c d 扫描仪的图像质量清晰，它的优点是扫描质量高、扫描范围广、使用寿命长、分 辨率高。但它的缺点是体积比较大，采用c c d 的微型半导体感光芯片作为扫描仪 的核心。使用c c d 进行扫描，外部要求有一套精密的光学系统配合，这使得扫描 仪结构复杂n 引。 c i s ( 接触式图像传感器) ：c i s 是上世纪8 0 年代末出现的一种新型图像传感 器，是一种光电转换器件。用它采集图像，需要采用直接接触在被扫描物体表面 的方式，并且还需要采用不断运动的方式。c i s 结构简单，使用方便。它的应用 领域主要是传真机、扫描仪、纸币清分机等图像读取领域1 。 与传统的c c d 相比，c i s 具有以下优点n 2 1 4 | ： 7 电子科技人学硕十学位论文 ( 1 ) c l s 将光电传感阵列、l e d 光源阵列、柱状透镜阵列、移位寄存器和模拟 开关等集成在一个条状方形盒内，使体积更小； ( 2 ) 只需要提供两个时钟信号就能工作，控制简单； ( 3 ) 大部分c i s 只需要3 3v 或5v 供电，功耗低； ( 4 ) 不需要外围电路，降低成本。 通过以上的分析比较，接触式图像传感器更适合纸币图像的采集，系统最终 选用接触式图像传感器作为图像采集器件。 3 2 2cis 结构和工作原理 物 幽堑! k 一一j l 一一一一一一一一- = = ：= = = = 三巴 图3 - 1c i s 截面剖视图 考虑了c l s 的分辨率和价格等因素之后，本文选用了山东华凌公司生产的 f c 2 r 2 1 6 6 4 0 8 型黑白线性c l s 传感器n 引，其截面剖视图如图3 1 所示。它由光电传 感阵列、l e d 光源阵列、透镜阵列、电路板等部分组成。 f c 2 r 2 1 6 6 4 0 8 的内部结构框图如图3 - 2 所示。其工作原理如下：被扫描物体 以接触的方式通过c l s 的扫描面，c i s 内部的l e d 光源阵列( l e dl i g h tg u i d e ) 发 出的光照射到被扫描的目标，其反射回的光线经自柱状透镜阵列( r o dl e n sa r r a y ) 聚焦后，在光电传感器阵列上成像。物体不同部位的反射的光强不同导致传感器 阵列所成像不同。在启动脉冲( s i ) 和像素时钟信号( c l k ) 的控制下，每一像 素的电量以电压的形式从输出口( s i g ) 依次输出6 n 1 。该c i s 分成3 个相同的单 元，每个单元都需要提供正确启动脉冲( s i ) 和像素时钟信号( c l k ) 。图中v l e d 是光源阵列的电源，l d e r 、l d e g 、l e d b 是可供选择的红、绿、篮三种光。 一 第三章图像采集电路 v l e d l e d i r l e d 空 l e d b v d d g n d c n t s 1 1 c l k l s l g l s 1 2 c l k 2 s 1 0 2 s 1 3 c l k 3 s i ( 珏 图3 - 2c i s 内部结构框图 表3 1c i s 引脚说明 管脚号符号功能描述 1s i g 3信号输出3 2g n d接地( 0 v ) 3s i g 2信号输出2 4g n d接地( 0 v ) 5 s i g l信号输出1 6v d d工作电压输入( 5 v ) 7c n td p i 选择( 接地2 0 0 d p i ) 8s 1 3启动脉冲输入3 9s 1 2启动脉冲输入2 10s 1 1启动脉冲输入l l 1g n d接地( 0 v ) 1 2c l k 3像素时钟信号输入3 13 c l k 2像素时钟信号输入2 1 4c l k l像素时钟信号输入1 15v l e dl e d 光源阵列电源输入 16 l e d g 绿光选择 1 7l e d r红光选择 18l e d b 蓝光选择 9 人学硕十学位论文 即每英寸有2 0 0 个点，有效扫描宽度为2 1 6m m 素单元。该传感器通过1 8 个引脚与外部连接， c i s 输出的信号是模拟信号，为便于图像处理，需要将模拟信号转换为数字 信号，完成这一工作的器件称为a d 转换器( 模数转换器) 。选择模数转换器， 要综合考虑各项指标和成本。一般要考虑以下几个指标8 | 。 ( 1 ) 分辩率 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2 n 的 比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。 ( 2 ) 转换速率 是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需的时l 口j 的倒数。 ( 3 ) 量化误差 由于a d 的有限分辩率而引起的误差。 综合以上因素，本系统选用的a d 芯片为a n a l o g 公司的a d 9 8 2 2 。它最 高可以达到1 4 位，转换速率可达1 5m s p s 。 3 3 2a d 9 8 2 2 介绍 a d 9 8 2 2 是a n a l o g 公司生产的一款图像传感器信号处理专用芯片n 9 圳，它对 图像传感器输出的模拟图像信号进行处理，将其转换为数字信号。如图3 3 所示， a d 9 8 2 2 接3 个通道输入( v i n r ，v i n g ，v i n b ) ，由3 路独立的采样电路组成。每一 路输入的模拟信号依次经过输入钳位器，由相关双采样器c d s 对其采样，再经过 暗电平补偿器d a c 和可编程增益放大器p g a 放大之后，三路信号复用进入一个 1 4 b i t 的模数转换器( a d c ) ，在那罩进行a d 转换。转换之后输出的1 4 b i t 数字信 号由8 个端口( d o u t ) 分时输出到a d 9 8 2 2 外面，前一个时钟周期输出高8 位，后 一时钟周期输出低6 位。s c l k 、s l o a d 、s d a t a 是串行s p i 接口， a d 9 8 2 2 内部的 l o 一 3 3 3a d 电路设计 c d s e 二嚣： e ) 0 c o ：二 d e ：z j ： o 三b d 最气d 0 ：扎s 圆嚣3 ? d 6 d ! d 4 d 3 d ： d ： 函s b 园o 图3 - 4a d 9 8 2 2 电路设计原理图 3 ：强寥 孽一 电子科技人学硕一 = 学位论文 为a d 9 8 2 2 的原理图设计。a d 9 8 2 2 采用5 v 供电，在供电脚a v d d 间接入滤波电容。c i s 输出的三路模拟信号通过a d 9 8 2 2 的 v i n r ，v i n g ，v i n b 三个通道进入a d 。c a p b 和c a p t 外接退耦电容。d o - - d 7 为数 字信号输出，连接到f p g a 的1 0 口。d r v d d 为数字信号输出的驱动电平引脚，应 当与f p g a 的1 0 口3 3v 相匹配，所以应当用3 3v 供电。c d s 取样数据时钟 c d s c l k 2 以及a d c 采样时钟a d c c l k 都有f p g a 控制由i o 口提供。串行s p i 数据 接口( s c i 。k ，s l o a d ，s d a t a ) 也都由f p g a 来控制，设置其内部的寄存器。 3 4f p g a 电路设计 3 4 1f p g a 介绍 之前介绍的c i s 的时钟提供，a d 的时钟提供，以及a d 内部寄存器的配置， 这些任务都足由f p g a 来实现。除此之外，f p g a 还完成了图像信号的缓存排序以 及与d s p 之间通信的任务。所以，f p g a 在此系统中起到了举足轻重的作用。 f p g a 是f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( 现场可编程门阵列) 的缩写，所 谓的现场可编程是指设计人员可以在工作现场完成对f p g a 芯片的编程，以实现 或改变复杂的电子系统的功能。它是一种可以编程的数字集成电路。 可编程逻辑电路在经过p a l 、g a l 、p l d 等发展之后，出现了f p g a ，它是专用 集成电路( a s i c ) 中集成度最高的一种。f p g a 的电路结构是由可编程逻辑块组成， 一般由3 个部分组成：可配置逻辑模块c l b 、输出输入模块1 0 和内部连线i c r 。 c l b 是f p g a 最主要部分，分布在器件中部，主要实现所需的逻辑功能。i o b 分布 在器件的四周，它主要用于内部逻辑与器件外部的连接。i c r 遍布在器件内，能 将c l b 之间互连，i o b 之间互连，也能将c l b 和i o b 之间互连。除了基本结构之 外，有些f p g a 中还提供各种嵌入式资源：块状r a m ，乘法器，数字信号处理模块 d s p 等。 j 下是因为f p g a 内部丰富的可编程资源，所以用户可对其内部的c l b 和l o b 重新配置，以实现不同的逻辑功能。f p g a 如同一张白纸，用户可以通过原理图输 入法或是硬件描述语言设计一个数字系统，也可以随时修改设计。在p c b 完成以 后，如果需要修改设计，可以不必改动硬件电路而是利用f p g a 的在线修改能力 1 2 第三章 去修改设计，这样使得硬件的功能可 计时问。 3 4 2f p g a 开发流程 f g p a 系统的丌发流程，主要是借助e d a 软件进行开发。如图3 5 所示是f p g a 的设计流程，主要包括设计与输入、功能仿真、综合、实现、时序仿真和下载配 置等主要步骤2 2 l 。 图3 5f p g a 开发流程 ( 1 ) 设计输入 设计输入是指设计人员将所设计的功能描述给e d a 软件，最常用的方式是采 用硬件描述语言的方式，主要的硬件描述语言包括v e r i l o g h d l 与v h d l 两种。 ( 2 ) 仿真 仿真分为功能仿真和时序仿真。功能仿真又称为前仿真，一般是在综合前进 行。主要验证电路的功能是否正确，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器 件的硬件。时序仿真又称为后仿真，一般在布局布线之后进行。它包含了有关的 电子科技人学硕十学位论文 器件延迟、布线延时等时序参数，是接近真实器件运行的仿真。目前功能仿真工 具有很多，可以利用i s e 自带的仿真工具，也可以用专用的仿真工具如m o d e l s i m 。 ( 3 ) 设计综合 综合足指将设计输入翻译成由门电路和寄存器等基本逻辑单元组成的逻辑 连接网表，设计人员还可以在e d a 工具中根据自己的需求添加约束条件，e d a 工 具将根据设计输入和约束条件生成逻辑连接和相应的文件。 ( 4 ) 设计实现 实现是把综合的结果映射到具体的f p g a 资源中，决定逻辑的最佳布局。主 要有翻译，映射，布局布线几个阶段。 3 4 3s p a r t a n - 3 a 系列f p g a 介绍 目前f p g a 的品种很多，主要大的公司有x i l i n x 公司、a l t e r a 公司和l a t t i c e 公司。综合考虑了系统的实际需求和f p g a 的内部逻辑资源，1 0 口数量，成本等 因素之后，本系统选用的f p g a 芯片为x i li n x 公司的s p a r t a n 一3 a 系列中的 x c 3 s 7 0 0 a 芯片乜3 。它的主要特性有： ( 1 ) 内部时钟频率可达3 0 0 多m ，可提供8 0 6 4 个逻辑单元，4 0 万个系统门； ( 2 ) 用户可用的1 0 口有3 0 0 多个，支持6 种差分接口标准和17 种的单端接 口标准； ( 3 ) 高性能的内部块状存储器b l o c kr a m 。容量有3 6 0k b 。分布式r a m 有5 6k b ； ( 4 ) 有专用的乘法器模块，提供了高性能的算术处理功能； ( 5 ) 有4 个数字时钟管理器模块d c m ，从而可提供灵活的系统时钟解决方案。 图3 - 6s p a r t a n 一3 a 系列结构图 1 4 第三章图像采集i u 路 s p a r t a n - 3 a 系列主要包括5 个基本的可编程功能单元：可配置逻辑块( c l b ) 、 输入输出模块( i o b ) 、块状r a m ( b l o c kr a m ) 、乘法器模块和数字时钟管理模块 ( d i g i t a lc l o c km a n a g e r ，d c m ) 。 如图3 6 所示是s p a r t a n 一3 a 系列芯片的结构图。c l b 分布在芯片的中间，i o b 围绕在c l b 阵列周围。2 列r a m 夹在c l b 中间，每一列r a m 由一些1 8 k b i t 的r a m 块组成，每一块带有一个专用乘法器。d c m 则分布在每一列r a m 的末端。 3 4 4f p g a 配置电路 f p g a 芯片其写入的程序在断电之后会丢失，所以一个成熟的f p g a 系统需要 外加一片非易失性的专用配置芯片来存储程序，在上电的时候，由这个专用配置 芯片把数据加载到f p g a 中，然后f p g a 开始正常工作。 本设计采用的s p a r t a n 一3 a 芯片需要外加配置芯片，x c 3 s 7 0 0 a 需要搭配的配 置芯片是x c f 0 4 s 汜引。 s p a r t a n 一3 系列f p g a 支持血种配置模式：主串模式，从串模式，主并模式， 从并模式，j t a g 。当系统上电时，配置模式引脚( m 1 ，m 2 ，m 3 ) 将会被采样，其 采样值决定器件的配置方式。如表3 - 2 所示为配置模式引脚在不同的配置模式下 的设定值。 表3 2s p a r t a n 一3 配置模式 配置模式 m 0m lm 2 同步时钟数据宽度串行输出 土串模式 00o c c u ( 输出 1 是 从串模式 111 c c l k 输入 1 是 主并模式 1l0 c c l k 输出 8 是 从刃：模式 ol1 c c l k 输入 8否 j t a g l01 t c k 输入 1 否 如图3 - 7 所示是x c 3 s 7 0 0 a 与配置芯片x c f 0 4 s 的电路连接。在本次设计中我 们采用了主串模式，m 0 、m 1 、m 2 三个引脚都经过下拉电阻接地。主串模式是f p g a 配置最简单的一个方法，它以f p g a 为中心，利用外部的时钟以菊花