基于FPGA的高速CCD信号采集系统开题报告

1、请用蓝黑或碳素墨水书写硕士研究生学位论文工作计划及开题报告书学 号 121307020031研究生姓名 任慧建学科 、专业 信号与信息处理研 究 方 向 数据处理指导教师姓名、职称 殷兴辉（教授）培 养 学 院 计算机与信息学院开题报告时间 2013 年 12 月 27日河海大学研究生院制表说 明1. 学位论文计划应在导师的指导下按照培养方案要求制定。2.开题报告一般安排在第三学期，开题报告在负责培养的学院进行，由导师主持并邀请同行专家参加。3. 开题报告的时间、地点须提前三天公布，欢迎师生参加旁听。4. 论文计划书及开题报告书（空白表）于研究生入学后的第三学期初发放，第四学期初交学院汇总后报

2、研究生院审查存档。5. 本材料系永久性档案，请用蓝黑、碳素墨水或墨汁等耐久材料书写。6. 本表可以下载打印，但不得改变表格内容及格式。签名部分必须由签名者亲笔签署。7.有关详细规定查阅河海大学研究生工作手册。 论文计划及开题报告计划论文题目基于FPGA的高速信号采集与处理系统设计选题来源选择打（）1、国家计委、科委项目（ ）；2、国家经贸委项目（ ）；3、国家自然科学基金项目（ ）；4、国务院其它部委项目（ ）；5、主管部门（部委级）项目（ ）；6、省，市，自治区项目（ ）；7、学校级项目（ ）；8、自选项目（）；9、其它（ ）。预 计经 费约 元预计完成日期2015 年 3月主要内容（参考下

3、列几方面）1. 论文的选题依据，本课题在国内外的研究动态；2. 课题在理论或实际应用方面的意义、价值以及可能达到的水平；3. 本人对此课题开展研究的设想，拟解决哪些重点问题； 4. 工作计划，技术路线，实验方案，预期结果；5. 预计工作量及进度安排。计划及报告具体内容：1、 选题依据在日常生活中，人不停地与外界进行信息交换，有声音、气味和图像等，但通过眼睛获得的视频信息占获取外界信息总量的 80%以上，而由于光线的物理特性，以及人眼的生理性能特征，决定了人们不可能对所有频率范围的光线都敏感，因此，人们通过肉眼观察所直接获取的信息仍然是非常有限的。图像传感器(Image Sensor)作为计算机

4、感知视觉的一种重要器件，可以弥补普通人眼视觉灵敏度不均匀等缺点，因此它的应用也已经遍布人类生活、生产的各个方面1。CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)是于1969 年由美国贝尔实验室的威拉德·博伊尔和乔治·史密斯所发明的1。利用光电效应原理将空间物体的光信息转换成电信息，光电转换得到的电荷信号在 CCD 中的移位寄存器中串行输出，最后经过一些电路和软件的处理还原出待测物图像,除此之晚图像传感器还有电子束摄像管，影像增强管与变相管等真空管图像传感器，CMOS图像传感器等等1-2。由于 CCD 具有噪声低，测量精度高，工作速度快等诸多优点，它越来越

5、多的被应用到日常生活的方方面面，最主要的应用就是摄像和摄影领域。而线阵CCD主要应用于高精度尺寸测量,图像扫描及光谱分析3.特别是最近几年数字化技术的飞速发展使得数码相机进入了寻常百姓家，这些装备了 CCD 的数码产品让我们更加感受到了 CCD 的存在。线阵 CCD 的结构简单，成本较低，可以同时储存一行信号。由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵 CCD 实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵 CCD 广泛地应用在产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、图像扫描和光谱分析等许多领域

6、。基于线阵 CCD的这些优点，本文研制的线阵 CCD 信号采集处理系统可以很好的实现对图像信号的采集。2、 国内外的研究动态1973年，第一次国际CCD应用研究学术会议在美国举行，标志着CCD应用技术已成为电子及光电科学的一个重要分支。CCD产业蓬勃兴起，各种卓有成效、各具特色的CCD促进了该应用领域的扩展。其性能大幅度提高，成本不断下降，品种不断增多，导致应用范围不断扩展和普及。CCD图像传感器的出现不但促进了传统光学技术、光电成像技术发生重大变化。目前，CCD应用技术研究方兴未艾，其产品日新月异，国际竞争相当激烈。国内CCD应用技术发展迅速。它的研究受到各个领域的重视，CCD的研究在国内正

7、在慢慢兴起。最早的CCD图像传感器仅为8像素移位寄存器,经过四十余年发展,目前数千万像素的CCD产品已经成熟并实现了商品化4。美国是最早开展CCD技术研究的国家，也是目前投入人力，物力和财力最多的国家，在此应用研究领域一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源地，并在CCD图像传感器及电荷域信号处理方面的研究保持优势。麻省理工学院林肯研究室，宇航局喷气推进研究室，罗姆空间发展中心等研究中心在CCD以及其应用方面的研究保持着雄厚的实力，并形成了具有较大规模的实验研究中心。除此之外，美国几家著名公司也是CCD应用与开发的有力竞争者，如无线电公司，通用电气公司，仙童公司，等等。这些公司的研究机

8、构在CCD应用及工艺研究方面都具有相当的实力。日本是目前世界上CCD的生产大国，其产量居世界之首。日本政府非常重视CCD技术的开发与研究。日本广播协会实施的高清晰度电视计划中，把提高CCD摄像器件分辨率作为主攻方向之一。索尼公司在1979年用三片242（H）*494（V）象元高密度隔列转移CCD像感器首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。1980年日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。2000年，日本富士照相胶卷公司与富士胶卷微器件公司共同提出了蜂窝式（honeycomb）CCD5，这种蜂窝式 CCD 器件采用最适合连续扫描的成像结构单元，使得静态图像的分辨率可以大幅度提高，而且给 CCD 器件

9、的设计方法带来了新的思路。日本的CCD技术虽然起步较晚，但其发展极快，特别是日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力，并且在美国市场也占有很大份额。最初CCD信号采集处理系统通常是由单片机控制，后来发展到CPLD器件6。线阵器件对时序数量不多，并且它们之间的相位关系相对来说不是十分复杂，外围电路简单，获取信息量较小，对后续数据的处理也相对简单。后来面阵CCD也逐渐兴起，面阵CCD器件中光敏区域按照二维面阵方式排列，因此这种器件可以同时接受一幅完整的光学图像。之后FPGA器件的产生和发展在很大程度使CCD应用更加广泛。我国研制CCD的单位也比较多，其中以中国电子科技集团公司第44研究所和第13研究

10、所水平较高，但是与国外差距仍然很大。近二十多年来，CCD应用技术的研究取得了令人瞩目的进展，其应用领域涉及航空航天，天文遥感，尺寸及光谱测量，激光干涉测量，传真和扫描技术，医疗仪器，广播摄像，工业视觉系统，军事电子对抗，国防，公安，检测交通等众多领域。目前有许多文献对 CCD 传感器采集系统在各个领域的应用进行了介绍，在天文物理学方面可用于对行星的观察和对宇宙射线的探测7；在医学诊断领域，可用于内窥镜、腹腔镜等方面8；在军事国防领域可用于目标定位、精确制导、空间遥感、卫星侦察、电子对抗等方面8；在消费电子领域可用于数码相机、摄像机和手机等。文献9介绍了 CCD 器件在零部件无损检测中的应用；文

11、献10介绍了CCD 在非接触测量领域的应用，并设计了一种基于 CCD 器件的非接触式测径仪用于电荷采集。另外，为了解决 CCD 在应用中出现的各种问题，比如降低噪声，提高电荷转移率等，有很多研究人员对此也作了很多研究。由上述可知，基于 FPGA 信号采集系统的应用技术已成为集光学、精密机械、电子学与计算机技术为一体的综合技术，在光电检测技术、测试技术和图像采集等众多领域中硕果累累。3、 课题在理论或实际应用方面的意义、价值以及可能达到的水平CCD图像采集系统有两个重点：驱动电路的设计和对采集信号的处理。这两方面的研究对于系统小型化和经济化具有重要的理论意义和现实意义。（1）随着现代电子技术的快

12、速发展，图像采集与处理技术得到了越来越广泛的应用。CCD图像传感器的高度集成化减小了系统的复杂性，可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上，降低了制造成本，使图像读出及处理变得简单而快捷，便于设计出更灵巧的小型成像系统。在一些需要实时图像监测的应用领域中，可以大大简化电路设计的结构，使得整个系统更集成化。（2）高性能低成本的图像采集和处理系统在很多领域都有很大的需求，相比于CMOS图像传感器，CCD图像传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制以及技术成熟度等方面具有明显的优势。发达国家对基于CCD图像传感器的高性能图像采集和处理系统的开发已经具有了一定的经验和成功先例，但是，在我们国家，相关技术仍然比较

13、薄弱。因此，通过对基于FPGA的CCD图像采集处理系统的研究，掌握相关技术，积累必要的技术储备和经验，对于满足我国在相关领域的的需求有着重要的意义。4、 本人对此课题开展研究的设想，拟解决哪些重点问题本课题拟利用FPGA的强大功能,将CCD驱动电路及信号处理电路集成在一块芯片上,目的是实现CCD图像采集系统的小型化、智能化与集成化。因为其具有较强的抗干扰性,易于实现自动控制系统接口,可以设计成为高灵敏、高精度的实时在线采集系统，从而获取被采集对象更多的信息,实现快速，准确的无接触的图像信号采集。首先，要要了解CCD，FPGA,AD转换器的工作原理，并且选择最合适的芯片来完成本次课题。由于线阵C

14、CD可以满足本课题对于图像采集的要求，所以这里选择的是TCD1209D这款线性CCD芯片。FPGA选择的是XILINX公司的低成本的Spartan系列的XC3S500，AD选择的是专用的CCD处理芯片AD9945，以太网物理层芯片选择的是LAN83C185。其次要利用FPGA的部分逻辑单元和管脚构建线阵CCD，AD转换器，网络芯片的驱动，生成满足系统工作的多路驱动时序脉冲。在时序脉冲驱动下进行图像的采集与处理。本课题拟在复位脉冲为20MHZ的高速情况下进行工作，此时和典型的1MHZ有一些不同需要做一些改动。在AD方面，需要利用FPGA配置AD的寄存器来控制其工作模式，以及其内部对于信号的处理方

15、法，包括增益的调整。AD9945其自带的相关双采样技术很好的去除的低频噪声，可以获得更精确的信息，经过处理的信号经由以太网传输到上位机。在上位机设计一个显示的界面，可以直观的观察到所采集的数据。最后是硬件电路板的设计，在设计电路板有两点需要考虑：一是如何最大程度的避免噪声的干扰，二是如何尽可能利用现有的资源实现整个系统的小型化，也就是尽可能简化电路。总得来说，具体工作过程可以总结为：系统由 FPGA 产生提供给线阵 CCD 芯片的驱动时序脉冲,CCD 在时序脉冲的驱动下对目标的光强信息进行采集,然后经过 FPGA 控制的ADC芯片将CCD采集到的模拟信号转换为适合于处理与传输的数字信号,ADC

16、输出的数字信号送回到 FPGA 中进行数字信号处理,处理过的数字信号经过 FPGA控制的接口模块送入上位机中进行界面显示、结果分析等处理。示意图如下：待解决的重点问题1、 实现对于CCD的驱动，使之可以正常工作，这仍然有很多工作要做。2、 在设计CCD信号的处理电路，将模拟信号转化为数字信号的过程，如何尽可能的减少干扰。3、 设计以太网传输模块，用来向上位机传输经过处理的高速信号。4、 利用FPGA实现对于AD及以太网物理层芯片的驱动。5、 完成信号在上位机的显示界面上的显示，界面设计问题还需要研究。5、 工作计划，技术路线，实验方案，预期结果1、 大量查阅文献，了解此类图像采集系统的结构及功

17、能，并了解其研究的背景和意义。2、 设计基于FPGA的CCD图像采集处理系统的整体方案，包括系统的工作原理和流程。3、 设计CCD、AD转换器、网口芯片的驱动电路，借以实现对信号的采集与处理。4、 设计各模块的相关的控制时序，用代码实现对芯片的控制。5、 对整个系统进行仿真，并根据仿真结果进行修改。6、 完成CCD对图像信号的采集并在上位机予以显示。预期结果：通过FPGA对各模块时序的控制，实现CCD对于图像信号的采集，并对信号进行去噪，模数转换等处理，然后通过以太网传输至上位机，在上位机界面上可以对信号予以显示，从而得到想要的结果。预计工作量及进度安排2013-12-102013-12-30

18、完成开题报告，并提交指导教师2013-12-302014-2-20收集资料，构思并确定写作大纲，请指导老师修改写作大纲2014-02-202014-06-20撰写论文初稿2014-06-20完成论文初稿2014-06-202014-09-20请指导老师对初稿提出修改意见，完成二稿2014-09-202014-12-20请指导老师对二稿进行指导并按老师的建议进行修改，完成定稿2014-12-20提交论文最终稿2014-12-202015-02-20请评阅老师审阅，准备论文答辩幻灯片（PPT）6、 参考文献1王庆友主编，图像传感器技术。北京：电子工业出版社，20032王庆友主编，CCD应用技术。天

19、津：天津大学出版社，20003 胡渝，荣健.CCD 的发展现状及展望.仪器仪表学报.2005,8,26(8 期增刊)4 Jan T.Bosiers,Bart G.M.Dillen,Cees Draijer,et al.A35-mm Format 11 M PixelFull-Frame CCD for Professional Digital Still ImagingJ.IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRONDEVICES,VOL.50,NO.1,JANUARY 2003:254-2645 冒蔚，季凯帆，李彬华等，CCD 天体测量学，昆明:云南科技出版社，20032-80

20、6 李彩; 刘勇; 王安; 基于 CPLD 的线阵 CCD 数据采集系统的开发J,电子技术应用，2003，6:37-39 7 WANG Huijuan, LI Binhua, LI Yongming et al. Design of Digital Controller for a CCD Camera with Dual Speed Tracking Imaging on Same FrameJ.Astronomical Research and Technology, 2007, 4( 4): 369 375.8 Smith S.L, Mooney J., Tantalo TA. et al. Understanding Image Quality Losses Due to Smear In High-resolution Remote Sensing