a b s t r a c t t h ed e v i c et oo b t a i nl i r l eo fs i g h ti sa i li m p o r t a n tp a r to ff i r ec o n t r 0 1s y s t e mt e s td e v i c e s i tc a ng e tt h el i l l eo fs i g h tt o t e s tt t l e 2 l i m i n ga c c u r a c yo ff i r ec o n t r o ls y s t e m t m sp 印e r d e v e l o p e dac m o sc a m e r af o rt l l ed e v i c et oo b t a i nl i n eo fs i g h t ，w h i c ha c h i e v ea m 1 i l i a t 嘶z a t i o n ，i n t e 黜da i l di n t e l l i g e n td e v i c et oo b t a i nl i n eo fs i g h t t h ec m o sc a i n e r ad e s i g l l e di n 1 i sa r t i c l ec o m p o s e d b y t h ei m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g e p r o c e s s l n ga n dl m a g e 仃a n s m i s s i o n i nt 1 1 i sa n i c l e ，u s i n gf p g at oc o n 昀lc m o sc l l i pi n 舭 a c q u l s i t i o nmo r d e r t oa c b j e v em i l l i a n m z a t i o no ft 1 1 ed e v i c e ，u s i n gf p g af o rp r e p r o c e s s i n g o f 恤i m a g ei 晌m a t i o ni i lo r d e rt oa c l l i e v ei m e l l i g e n to fm e d e v i c e ，u s i n gg i g a b i te m e m e t i n t e r f a c ef o rm eo u t p u to f m ei 嫩g ed a t ai i lo r d e rt oa c b j e v e 硫e g r a t i o no f t l l ed e s i 鼬ni s g r e a t l yr e d u c m gm es i z eo fs y s t e ma n dr e d u c i n gs y s t e mc o m p l e x i 夠o nm eb a s i so fe n s u r i n g t h eq u a l i 鑼o ft h ei m a g e sc o l l e c t e d k e yw o r d s ：c m o si m a g es 蚰s o rc a m e 珊 l i n eo fs i g h t g i g a b i te t h e m e t 第一章引言 1 1 課題研究的目的和意義 近幾年，隨著高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國(guó)火控技術(shù)的研究有了很大的進(jìn)展，但在 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、反應(yīng)時(shí)間、首發(fā)命中率等方面還有待提高，尤其是對(duì)于處于復(fù)雜戰(zhàn)斗條件 下的車載武器來(lái)說(shuō)，必須具備高度的穩(wěn)定性和精密性?；鹋谟捎谙到y(tǒng)受到特殊使用環(huán) 境的影響，可能導(dǎo)致它的光軸發(fā)生變化，這會(huì)直接影響火炮的瞄準(zhǔn)精度。因此，需要 利用瞄準(zhǔn)線獲取裝置對(duì)火控系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度進(jìn)行測(cè)試。 瞄準(zhǔn)線獲取裝置的主要作用是對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行獲取。傳統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線獲取裝置采用 的是的c c d 相機(jī)采集圖像，配合后端的圖像處理部分進(jìn)行必要地圖像處理，最后通過(guò) 圖像采集卡傳給p c 機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。通過(guò)在實(shí)際環(huán)境中多次應(yīng)用，這種方式漸漸地 顯現(xiàn)出了它的弊端： 1 ) 圖像傳感器部分需要改進(jìn)。憑借著低功耗、低成本、高度的片上集成等優(yōu)勢(shì)， c m o s 圖像傳感器己逐漸代替c c d 圖像傳感器成為了應(yīng)用的主流，具有高性能的 c m o s 圖像傳感器也開始進(jìn)入軍事、視頻監(jiān)控、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，把圖 像傳感器替換為c m o s 會(huì)使圖像采集部分變得靈敏度更高、動(dòng)態(tài)范圍更大、成本更低。 2 ) p c 機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積相對(duì)龐大，而且要在p c 機(jī)上安裝采集卡和驅(qū)動(dòng)程序，由 多個(gè)部件組成的系統(tǒng)也造成了操作和攜帶上的不便。所以瞄準(zhǔn)線獲取裝置的一體化、 小型化也是優(yōu)化的主要方向。 新一代c m o s 相機(jī)的設(shè)計(jì)，由于采用了高集成度單芯片的c m o s 圖像傳感器、在 相機(jī)內(nèi)部集成圖像處理單元以及以太網(wǎng)接口芯片，使得瞄準(zhǔn)線獲取裝置在保證圖像質(zhì) 量的前提下，將一套復(fù)雜的系統(tǒng)改進(jìn)成了體積比較小的一體化相機(jī)。由這個(gè)相機(jī)采集 并直接傳輸給帶有網(wǎng)口的計(jì)算機(jī)即可實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線獲取的功能。 1 2 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著瞄準(zhǔn)鏡在戰(zhàn)車、高炮、坦克等裝備中的廣泛應(yīng)用，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)也有 了較大的提高。尤其是伴隨著激光測(cè)距機(jī)、傳感器等光電設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)一步改善了 火炮瞄準(zhǔn)軸軸線的穩(wěn)定性2 。到目前為止，性能比較先進(jìn)的武器裝備都已經(jīng)配備了自 動(dòng)測(cè)試與校準(zhǔn)設(shè)備。這些設(shè)備大大增強(qiáng)了武器裝備的射擊首發(fā)命中率和攻擊力，也使 得火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)有所提升。比如法國(guó)的霍特導(dǎo)彈，在它的穩(wěn)瞄具內(nèi)部集成 了一套光軸校準(zhǔn)系統(tǒng)，可以對(duì)瞄準(zhǔn)鏡和其他設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。美國(guó)的阿帕奇直升機(jī) 也可以實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)具與激光指示器的光軸自動(dòng)校準(zhǔn)。雖然我國(guó)的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在近幾年的發(fā) 展比較迅速，但是在射擊首發(fā)命中率、快速捕獲等方面的性能指標(biāo)還有待提高，所以 瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)也顯得越來(lái)越重要，它能夠保證火炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)軸軸線與炮 口軸線的平行性，極大地提高了武器的瞄準(zhǔn)精度和各項(xiàng)性能指標(biāo)。 1 3c m o s 圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀 c m o s 圖像傳感器誕生于上世紀(jì)6 0 年代末，這種圖像傳感器器件可以將光敏像元、 放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理部分和接口電路集成在一片硅片上面。這種結(jié)構(gòu) 使它的制造工藝比較容易、成品率高而且造價(jià)低廉。 早期的c m o s 器件的像素結(jié)構(gòu)是無(wú)源的，稱之為無(wú)源像敏單元。像敏單元內(nèi)的主 要元件是光敏元件和尋址開關(guān)，并沒(méi)有把放大器等電路放到其中，因此一直無(wú)法解決 成像質(zhì)量差、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題，所以只局限于應(yīng)用在對(duì)圖像質(zhì)量要求較低的場(chǎng)合。 到了二十世紀(jì)九十年代初，像敏單元發(fā)展為有源結(jié)構(gòu)，在原有器件的基礎(chǔ)上，還集成 了放大器和轉(zhuǎn)換處理電路，實(shí)現(xiàn)了單芯片成像系統(tǒng)。這使它在動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度等方 面得到了一定的提升，呈現(xiàn)出了更為強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。 在空間探測(cè)和導(dǎo)航領(lǐng)域，c m o s 圖像傳感器所具備的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得更為明顯，由于 不需要復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路、體積和功耗相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小、容易開發(fā)，這對(duì)于使用電池供 電的設(shè)備來(lái)說(shuō)有著無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。更重要的是c m o s 圖像傳感器在芯片的集成度方 面有著非常高的潛力，它可以在一個(gè)芯片上集成多個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)圖像處理的一些 基本功能，如圖像壓縮、色彩編碼和圖像穩(wěn)定等，這為需要較復(fù)雜圖像處理功能的設(shè) 備帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的簡(jiǎn)化卜1 。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外都非常重視對(duì)c m o s 技術(shù)的研究，在國(guó)內(nèi)，雖然處于一個(gè)剛起步的 階段，但是已經(jīng)取得了良好的成績(jī)。2 0 0 5 年，中科院半導(dǎo)體研究所采用c m o s 技術(shù)研 制了光接收機(jī)；2 0 0 9 年，廣州的大恒圖像也研制了一系列c m o s 產(chǎn)品，其分辨率為 6 4 0 4 8 0 時(shí)幀頻可達(dá)4 5 邱s ，而且可以利用編程來(lái)控制其增益和亮度等參數(shù)。但是，無(wú) 論是從c m o s 圖像傳感器的種類還是性能上來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)都處于一個(gè)相對(duì)落后的水平， 很多攝像設(shè)備還是要通過(guò)進(jìn)口來(lái)滿足需要。 目前國(guó)外對(duì)c m o s 圖像傳感器的應(yīng)用比較多，各公司已研制出多種c m o s 產(chǎn)品以 適應(yīng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。比較有代表性的是美國(guó)豪威公司、意法半導(dǎo)體。在2 0 0 7 年， 美國(guó)豪威公司推出了c m o s 圖像傳感器o v 7 6 8 0 ，其非線性鏡頭移動(dòng)技術(shù)在很大程度 上縮短了鏡頭與傳感器之間的距離，在保證了圖像效果和相機(jī)功能的基礎(chǔ)上，使得整 個(gè)相機(jī)模組僅有3 m m 的高度。并且該圖像傳感器具備著成本低、噪聲小、動(dòng)態(tài)范圍廣 等優(yōu)點(diǎn)“卜n 1 。 1 4 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文是基于c m o s 圖像傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)適用在瞄準(zhǔn)線獲取裝置中的相機(jī)模塊。 根據(jù)瞄準(zhǔn)線獲取裝置的性能指標(biāo)以及發(fā)展方向，這個(gè)相機(jī)模塊拋棄了傳統(tǒng)的c c d 相機(jī) 2 與圖像采集卡相配合的視頻采集方案，選擇了c m o s 這種更為靈活的圖像傳感器作為 感光元件，并采用了千兆以太網(wǎng)這種更為方便的數(shù)據(jù)接口方式。整個(gè)設(shè)計(jì)以f p g a 平 臺(tái)為基礎(chǔ)，利用軟硬件之間的配合完成了圖像采集、圖像傳輸?shù)雀鱾€(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)， 最后通過(guò)進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)性的拍攝來(lái)測(cè)試整個(gè)相機(jī)模塊的性能。在論文中各章節(jié)的安排 如下： 第一章介紹課題的研究背景、對(duì)課題進(jìn)行研究的意義以及論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu) 安排。 第二章闡述論文所選擇方案的根據(jù)以及實(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。 第三章描述了整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計(jì)，包括具體芯片的選型和各個(gè)模塊的硬 件電路連接。 第四章介紹如何在f p g a 中以n i o si i 處理器為核心進(jìn)行軟件程序的設(shè)計(jì)，主要實(shí) 現(xiàn)對(duì)其它各個(gè)芯片的控制以及與其他芯片之間的數(shù)據(jù)交互。 第五章記錄了如何調(diào)試以及在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并給出最后的測(cè)試結(jié)果。 第六章是對(duì)設(shè)計(jì)工作的總結(jié)和對(duì)下一步工作的展望。 第二章c m o s 相機(jī)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) 2 1c m o s 圖像傳感器 2 1 1c m o s 圖像傳感器的優(yōu)勢(shì) 對(duì)于圖像傳感器而言，c m o s 器件和c c d 器件是同時(shí)起步的，但是由于早期的結(jié) 構(gòu)工藝制約著c m o s 器件的發(fā)展，使之一直無(wú)法與c c d 器件相抗衡，主要表現(xiàn)為像 素結(jié)構(gòu)尺寸大、噪聲大、信噪比低等缺陷。但c c d 也存在著難以解決的弊端，尤其是 它的制造工藝要求比較嚴(yán)格，導(dǎo)致制造過(guò)程比較復(fù)雜，而且大規(guī)模集成電路技術(shù)不能 應(yīng)用于c c d 器件的制造，故不能將其他功能部件與像素陣列集成在一起，給圖像采集 系統(tǒng)的單片一體化帶來(lái)很大的難度r “。 近幾年來(lái)，隨著科技水平的不斷提高，制造大規(guī)模集成電路的技術(shù)越來(lái)越成熟， 使得c m o s 器件在性能上有了很大的提升，具備了低功耗、低成本、高度片上集成等 優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的領(lǐng)域開始應(yīng)用c m o s 圖像傳感器作為圖像采集器件。 c m o s 器件與c c d 器件本質(zhì)上的區(qū)別是其讀出電路的結(jié)構(gòu)不同，c c d 器件要通 過(guò)電荷一步步地轉(zhuǎn)移才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀出，而c m o s 圖像傳感器內(nèi)部的任何一個(gè)像元 所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都可以直接讀出。另外，c c d 像素傳輸?shù)氖请姾?，在讀出完成之后才能 進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大等處理；c m o s 有源像素則是在像元內(nèi)部將光生電荷轉(zhuǎn)換為電壓之后 再進(jìn)行讀出。這種差異使得c m o s 器件在某些方面顯現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢(shì)，主要為1 ： 1 ) 高集成度。從通信以及電子類行業(yè)的市場(chǎng)來(lái)看，器件集成度的提高直接促進(jìn)了 行業(yè)的蓬勃發(fā)展。在c m o s 器件工作的時(shí)候，光電轉(zhuǎn)換和緩沖放大等功能都是在像素 單元內(nèi)部完成的，這種s o c 技術(shù)避免了把芯片進(jìn)行組合所可能帶來(lái)的一系列問(wèn)題，既 降低了成本，又使圖像傳感器的性能得到了提高。另外，這種高集成度的c m o s 器件 將有效減小所設(shè)計(jì)相機(jī)的體積。 2 ) 低功耗。c m o s 圖像傳感器采用主動(dòng)式的數(shù)據(jù)讀出方式，光敏元件產(chǎn)生的電荷 可直接被放大輸出；而c c d 器件則是被動(dòng)地進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，電荷在每個(gè)像素中 的移動(dòng)都需要外加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，這不僅增加了電路設(shè)計(jì)的難度，功耗也由于這種高驅(qū) 動(dòng)電壓而顯著增加。對(duì)于圖像傳感器類產(chǎn)品尤其是應(yīng)用在手持設(shè)備上的器件來(lái)說(shuō)，功 耗是至關(guān)重要的一個(gè)因素。最優(yōu)秀的c m o s 圖像傳感器的功耗僅為c c d 的1 1 0 0 ，這 對(duì)于移動(dòng)可視電話、筆記本電腦等使用電池來(lái)進(jìn)行供電的設(shè)各來(lái)說(shuō)有很大的益處9 1 。 3 ) 低成本。由于c m o s 圖像傳感器所采用的是半導(dǎo)體電路中最容易也最常見的 c m o s 工藝，外圍電路可以很容易地與傳感器核心器件集成在單一芯片上，大大地節(jié) 省了外圍芯片的成本。 4 2 1 2c m o s 圖像傳感器的結(jié)構(gòu)及原理 c m o s 圖像傳感器主要由三部分組成，包括像素單元陣列、模擬功能模塊、數(shù)字 控制模塊n 。其原理圖如圖2 1 所示。 圖2 1c m o s 圖像傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 1 像素單元陣列 在圖像傳感器中，最為核心的部分是像素單元。c m o s 器件的像素單元按照電路 的結(jié)構(gòu)來(lái)區(qū)分可分為無(wú)源像素和有源像素。 無(wú)源像素結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，如圖2 2 所示，它僅僅由一個(gè)光電二極管和一個(gè)開關(guān) 管構(gòu)成，當(dāng)開關(guān)管處于選通狀態(tài)時(shí)，光照致使光敏二極管產(chǎn)生的電荷就會(huì)被送到列線， 該電荷經(jīng)過(guò)列線后端的放大器后會(huì)以電壓的形式輸出。雖然這種像素單元的結(jié)構(gòu)比較 簡(jiǎn)單，具備著填充系數(shù)高等優(yōu)勢(shì)，但由于分布電容的存在，會(huì)使讀出噪聲很大，這就 導(dǎo)致很難提高它的讀出速率，也不利于它向大型陣列結(jié)構(gòu)發(fā)展1 。 i 列 線 圖2 2 無(wú)源像素結(jié)構(gòu) 有源像素結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是把有源放大器集成到了像素的內(nèi)部，加入放大器以后可以 明顯改變圖像傳感器的性能。這個(gè)放大器在數(shù)據(jù)讀出的時(shí)候才被激活，也做到了功耗 方面的最小化。有源像素結(jié)構(gòu)的主要組成如圖2 3 所示，包括作為像素核心的光敏二極 管、控制光敏二極管復(fù)位的復(fù)位管m 1 以及決定是否輸出信號(hào)的行選通管。有源像素 結(jié)構(gòu)可以將光電二極管轉(zhuǎn)換完成的信號(hào)直接在像素單元內(nèi)進(jìn)行放大，再利用地址譯碼 進(jìn)行讀出。這樣的結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了器件的靈敏度，也使圖像質(zhì)量得到了明顯 的改善n 。與無(wú)源像素結(jié)構(gòu)的器件相比，像素單元使用有源像素結(jié)構(gòu)的圖像傳感器最 主要的優(yōu)勢(shì)是具備較高的讀出速度和較低的讀出噪聲。 復(fù) 圖2 3 有源像素結(jié)構(gòu) 2 模擬功能模塊 1 ) 相關(guān)雙采樣電路。 該電路可以對(duì)提供給像素的復(fù)位信號(hào)和像素所產(chǎn)生電信號(hào)分別進(jìn)行采樣，用于抑 制像元內(nèi)產(chǎn)生的固定模式噪聲1 盯。 2 ) 可編程增益放大器。 對(duì)采樣之后的電信號(hào)進(jìn)行可以改變?cè)鲆娴胤糯螅缓笤賯鬟f給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處 理。 3 ) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 將采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，方便后續(xù)的圖像處理以及 輸出。 3 數(shù)字控制模塊 1 ) 地址譯碼器。 利用x 和y 兩個(gè)方向上的地址譯碼器，可以快速的選擇像素陣列中的任一個(gè)像素 單元，保證各像素的信號(hào)能夠有序輸出。 2 ) 時(shí)序控制單元。 該單元能夠輸出保證整個(gè)圖像傳感器可靠工作的時(shí)序控制信號(hào)，以使整個(gè)系統(tǒng)得 以有序地實(shí)現(xiàn)采集、處理等功能。 3 ) 圖像預(yù)處理模塊。 根據(jù)需要可以對(duì)a d 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行一些處理，包括色彩插值、伽馬校正、 白平衡等功能，目的是為了得到想要的圖像效果。 4 ) 寄存器模塊。 它的功能是保存和動(dòng)態(tài)更新傳感器工作所需要的參數(shù)等信息。 6 5 ) 總線控制模塊。 圖像傳感器與外界的接口，通過(guò)它可以讓外部主機(jī)對(duì)圖像傳感器中寄存器的參數(shù) 進(jìn)行讀寫。 2 1 3c m o s 圖像傳感器的主要性能參數(shù) 近幾年來(lái)，隨著制造工藝的發(fā)展，c m o s 圖像傳感器在性能方面已經(jīng)取得了突破 性的提高。其各項(xiàng)指標(biāo)都與c c d 器件相差無(wú)幾，甚至在某些方面已經(jīng)超越了c c d 器 件1 們一1 釘。 1 ) 光譜響應(yīng) 對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，圖像傳感器的響應(yīng)程度也是不相同的，稱之為光譜選擇性。 其光譜響應(yīng)范圍除了與制造所用的材料有關(guān)外，也會(huì)受器件的光敏單元結(jié)構(gòu)所影響。 2 ) 填充因子 填充因子是可以接收到光的像素單元的面積與全部像素單元的面積之比。在圖像 傳感器制造的時(shí)候，一些電路會(huì)占據(jù)圖像傳感器一部分表面面積，造成了器件填充因 子的降低。近幾年圖像傳感器技術(shù)發(fā)展最迫切的一個(gè)目標(biāo)就是增加填充因子數(shù)量。 暗電流 3 ) 暗電流 光電二極管在完全沒(méi)有光照的情況下也會(huì)有電荷的產(chǎn)生，這就是所謂的暗電流。 在圖像傳感器中暗電流的產(chǎn)生將會(huì)限制像素單元的探測(cè)靈敏度。保證器件工作在較低 的溫度是減小暗電流最有效、最直接的辦法。 4 ) 動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是指?jìng)鞲衅魉墚a(chǎn)生的最大信號(hào)和無(wú)光照環(huán)境下產(chǎn)生信號(hào)的均方差之 比。圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍越寬，對(duì)圖像細(xì)節(jié)的捕獲效果就會(huì)更好。 5 ) 噪聲 圖像傳感器的噪聲主要分為固定模式噪聲以及隨機(jī)噪聲，主要是來(lái)自于像素單元 的光電二極管和場(chǎng)效應(yīng)管。它的大小直接影響著圖像的質(zhì)量，通?？梢圆捎秒p采樣 降噪等方法對(duì)它進(jìn)行一定程度上的抑制。 2 2 相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)概述 對(duì)于一個(gè)相機(jī)來(lái)說(shuō)，其接口方式尤其重要，選擇一個(gè)好的接口方式可以提高數(shù)據(jù)的 傳輸速度和降低系統(tǒng)復(fù)雜度。 相機(jī)所傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種形式，對(duì)于這兩種形式有很多 接口方式可以使用，針對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸，主要有c 鋤e ml i l l l 【接口，u s b 接口，i e e e 1 3 9 4 接口，i e e e8 0 2 3 u 以及g i g e s i o n 接口標(biāo)準(zhǔn)1 。 1 ) c 鋤e ml i n k 是一種為相機(jī)設(shè)計(jì)的接口形式，它采用了固定物理接插件，規(guī)范 了端口配置、相機(jī)信號(hào)、接口模式、引腳定義和連接線等標(biāo)準(zhǔn)，這樣只要是符合該標(biāo) 準(zhǔn)的相機(jī)和采集卡就能進(jìn)行互連。數(shù)據(jù)在該接口中最高可達(dá)到6 8 0 m b s 的傳輸率。還 可以通過(guò)該接口中的串行通訊線發(fā)送指令來(lái)控制相機(jī)的參數(shù)設(shè)置和功能選擇。采用這 種標(biāo)準(zhǔn)后，外部與相機(jī)之間的連接更為容易，也獲得了比普通傳輸方式更遠(yuǎn)的傳輸距 離。 2 ) u s b 是通用串行總線的英文縮寫，它是近些年來(lái)比較常用的與p c 機(jī)進(jìn)行交互 的標(biāo)準(zhǔn)之一。它只有四根線，其信號(hào)在兩根信號(hào)線中串行傳輸，它主要具備以下優(yōu)點(diǎn)： 可以熱插拔。這就使用戶在連接外接設(shè)備時(shí)，不需要經(jīng)歷關(guān)機(jī)再開機(jī)這個(gè)過(guò)程； 攜帶方便。大多數(shù)利用u s b 作為接口的設(shè)備都具有小而輕的特點(diǎn)。尤其是數(shù) 據(jù)量大的情況下，u s b 接口是設(shè)計(jì)的首選； 可連接多個(gè)設(shè)備。個(gè)人電腦通常有多個(gè)u s b 接口，通過(guò)u s bh u b 的轉(zhuǎn)接，最 多可以同時(shí)將1 2 7 個(gè)設(shè)備連接到個(gè)人電腦而不會(huì)有問(wèn)題。 3 ) i e e e l 3 9 4 又稱f i r e w i r e 接口，中文的名稱叫做火線接口，是蘋果公司開發(fā)的一 種串行傳輸標(biāo)準(zhǔn)，和u s b 標(biāo)準(zhǔn)一樣，也可以為外設(shè)提供電源，并且支持熱插拔。利用 這個(gè)接口技術(shù)可以很容易地將高速硬盤、攝像機(jī)等設(shè)備存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸至電腦中，該 接口可以支持兩種傳輸模式，分別為同步和異步方式。在對(duì)圖像數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)通常選 擇同步方式，它可以很好的保證數(shù)據(jù)傳輸在時(shí)間上的同步性。 4 ) i e i 強(qiáng)8 0 2 3 u ( 1 0 0 b a s e t ) 是百兆以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。1 0 0 b a s e t 標(biāo)準(zhǔn)的傳輸介質(zhì)有三 種，包括1 0 0 b a s e t 4 、10 0 b a s e t x 、1 0 0 b a u s e f x ，它的編碼方式為4 b 5 b 。它可以使 用光纖和3 、4 、5 類雙絞線進(jìn)行連接，使現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施得到了充分利用。但是它也 有不足之處，當(dāng)有較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)，其效率也會(huì)隨之降低。 5 ) g i g e s i o n 是一種千兆以太網(wǎng)的相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)。千兆以太網(wǎng)是以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的 一種技術(shù)，它與原來(lái)的以太網(wǎng)完全兼容，這種標(biāo)準(zhǔn)可以允許用戶使用廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸 線將圖像數(shù)據(jù)快速地傳輸至很遠(yuǎn)距離，而且它兼容不同廠商的軟、硬件。它采用的是 和快速以太網(wǎng)一樣的幀格式和c s m 刖c d 協(xié)議。它的主要特點(diǎn)如下1 引： 提供完美的更新路徑。它可以充分利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。可以使企業(yè)保留原有 的線纜、協(xié)議、操作系統(tǒng)的同時(shí)達(dá)到千兆性能。 與原有的快速以太網(wǎng)等方案比，它提供了一條最優(yōu)的傳輸路徑。它是到目前為 止交換機(jī)與交換機(jī)之間最經(jīng)濟(jì)、最可靠的途徑。 填補(bǔ)了快速以太網(wǎng)的不足，可以與前兩代以太網(wǎng)兼容。在支持光纖、銅軸電纜 的基礎(chǔ)上增大了信號(hào)的傳輸距離。 表2 1 對(duì)這幾種常用的相機(jī)接口方式進(jìn)行了集中比較。 表2 1 常用工業(yè)相機(jī)接口比較 綜合考慮，采用千兆以太網(wǎng)作為所設(shè)計(jì)相機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口，無(wú)疑會(huì)使本裝置更 能滿足項(xiàng)目所要達(dá)到的指標(biāo)。 2 3f p g a 設(shè)計(jì)平臺(tái) 2 3 1f p g a 簡(jiǎn)介 f p g a 的中文意思是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它的出現(xiàn)是p a l ( 可編程陣列邏輯) 、g a l ( 通用可編程陣列邏輯) 等器件發(fā)展的產(chǎn)物。它主要由可編程電路和存儲(chǔ)單元s r a m 組成，其中的可編程電路有三種，包括c l b ( 可編程邏輯塊) 、i o b ( 輸入輸出模塊) 以及i r ( 互連資源) 。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示。 可編程邏輯塊在f p g a 中占有很大的比例，它是實(shí)現(xiàn)邏輯功能所需要的最基本的單 元，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求它可以比較靈活的進(jìn)行設(shè)置和自由連接以便于實(shí)現(xiàn)需要的邏輯功 能。輸入輸出模塊是整個(gè)f p g a 芯片與外界交互的接口，它分布在芯片的四周，可以 將內(nèi)部的可編程邏輯塊與器件管腳進(jìn)行連接?；ミB資源的主要作用是對(duì)各個(gè)可編程邏 輯塊之間進(jìn)行連接，它包括可編程連接開關(guān)和各種長(zhǎng)度的電氣連線。隨著互聯(lián)資源中 連線長(zhǎng)度和工藝的不同，會(huì)使連線上的信號(hào)的傳輸速度和驅(qū)動(dòng)能力都受到影響。 f p g a 既具有a s i c 高可靠性和高集成度的優(yōu)勢(shì)，又改善了原有a s i c 靈活性差、 設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，它已經(jīng)越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用在數(shù)字電路硬件設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中。f p g a 主要具備以下優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 可反復(fù)編程。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，外圍電路可以不動(dòng)，只需要通過(guò)改變內(nèi)部連線方 9 式和邏輯組合方式就能實(shí)現(xiàn)不同的功能。所以，利用這個(gè)優(yōu)勢(shì)，f p g a 可以以最快的速 度完成產(chǎn)品開發(fā)。 2 ) 開發(fā)投資小。在出廠之前，每片f p g a 都經(jīng)過(guò)了全面的性能測(cè)試，而且基于它 設(shè)計(jì)靈活的優(yōu)點(diǎn)，可以很方便的更改設(shè)計(jì)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，不僅減小了失敗的風(fēng)險(xiǎn)， 也節(jié)省了開發(fā)的時(shí)間和投資。近幾年，不但一些復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要利用f p g a 實(shí)現(xiàn)， 甚至一些使用a s i c 的場(chǎng)合也需要f p g a 在前期進(jìn)行樣機(jī)的開發(fā)。 3 ) 大規(guī)模。隨著制造水平的不斷進(jìn)步，芯片的集成度也越來(lái)越高，目前在單片內(nèi) 已經(jīng)可以集成幾百萬(wàn)的邏輯門。越來(lái)越大的規(guī)模也就意味著可以實(shí)現(xiàn)更多、更強(qiáng)的功 能。 4 ) 工作速度快。f p g a 器件的工作速度比較快，工作頻率可以很輕松地達(dá)到幾百 兆赫茲，再配合它的并行處理方式，使其速度要快于d s p 等器件。 5 ) 強(qiáng)大的開發(fā)工具。通過(guò)種類繁多的f p g a 開發(fā)工具，開發(fā)人員可以很方便地在 f p g a 中進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)。 11 _ _ _ 11 0000 x bbbb 【一 。_ _ _ _ _ _ _ 。 。，【 上 j 一 叫十 l i l a m j 鋤e 嗣t j 黜e 一 i 卜一卜 j 上1lll1 、 jl l1 、 1 0 b f卜一l i 亂bc l b a j b i l 一 卜一馴 。j jll j l 上 。一l 一 、一 。lll ll 1i11 1i 0o 000o bbb bb b _ 。一 2 3 3f p g a 的開發(fā)流程 圖2 4f p g a 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由于f p g a 的內(nèi)部功能十分強(qiáng)大，利用f p g a 芯片進(jìn)行高水平的開發(fā)也是一項(xiàng)艱 巨而復(fù)雜的工作。開發(fā)時(shí)要利用硬件編程語(yǔ)言，v h d l 或者是v e m o gh d l 。整個(gè)開發(fā) 流程在本質(zhì)上就是利用開發(fā)工具對(duì)芯片內(nèi)部的門陣列進(jìn)行重新組合的過(guò)程。一個(gè)完整 的設(shè)計(jì)流程包括乜叫： 1 ) 硬件語(yǔ)言的編寫； 2 ) 利用開發(fā)工具進(jìn)行編譯、綜合和優(yōu)化等； 3 ) 前仿真； 4 ) 布局布線： 5 ) 后仿真； 1 0 6 ) 最后的測(cè)試以及調(diào)試； 其具體流程如圖2 5 所示。 2 3 4f p g a 設(shè)計(jì)原則 圖2 5f p g a 設(shè)計(jì)流程圖 要想更好的利用f p g a 芯片進(jìn)行開發(fā)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要遵循一些基本的原則： 1 ) 面積與速度的互換原則。 面積是指在設(shè)計(jì)中所使用芯片中邏輯資源的數(shù)量，主要是根據(jù)查找表和觸發(fā)器所 消耗的數(shù)量來(lái)衡量，也可以表示為所消耗的等價(jià)的邏輯門的數(shù)量。速度是指所設(shè)計(jì)的 電路在芯片內(nèi)部正常運(yùn)行時(shí)所能實(shí)現(xiàn)的最高頻率。這個(gè)主要是由設(shè)計(jì)方案的時(shí)序狀況 所決定的。 在f p g a 設(shè)計(jì)中，面積和速度是需要重點(diǎn)考慮的兩個(gè)指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)質(zhì)量的 一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。占有面積越小，說(shuō)明在固定芯片上可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，大大削減系 統(tǒng)的成本；運(yùn)行速度越高，芯片在工作時(shí)所能夠達(dá)到的頻率就越高，使得整個(gè)系統(tǒng)的 穩(wěn)定運(yùn)行更有保障。兩者是相互矛盾的，一個(gè)設(shè)計(jì)不可能同時(shí)具備運(yùn)行頻率最高、設(shè) 計(jì)面積最小這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)2 。在對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行衡量時(shí)，人們更看重的指標(biāo)是速度，因?yàn)闀r(shí) 序滿足是保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要條件。所以當(dāng)兩者沖突時(shí)，采用的準(zhǔn)則是速度優(yōu)先。 如果在一個(gè)設(shè)計(jì)中有比較大的時(shí)序余量，通過(guò)復(fù)用某些功能模塊，就可以達(dá)到減 小占用面積的效果，這樣在犧牲速度上的優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上就可以換來(lái)面積上的節(jié)約；相 反的，如果設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)于時(shí)序的要求很高，就需要數(shù)據(jù)流串并轉(zhuǎn)換、并行操作等 方法，這樣就可以從整個(gè)芯片的角度來(lái)滿足速度的要求，這相當(dāng)于通過(guò)面積的復(fù)制來(lái) 換取速度上的提升。 2 ) 硬件原則。 f p g a 作為一種硬件電路的設(shè)計(jì)器件，它所使用的是硬件描述語(yǔ)言，這種語(yǔ)言和軟 件語(yǔ)言有著根本上的區(qū)別。硬件描述語(yǔ)言的本質(zhì)在于用來(lái)描述硬件結(jié)構(gòu)。它最終實(shí)現(xiàn) 的是芯片內(nèi)部硬件電路的設(shè)計(jì)。所以在f p g a 設(shè)計(jì)中，評(píng)價(jià)一段代碼的最終標(biāo)準(zhǔn)是轉(zhuǎn) 換成硬件所實(shí)現(xiàn)方案的合理性以及效率的高低。 3 ) 同步設(shè)計(jì)原則 同步時(shí)序設(shè)計(jì)是進(jìn)行f p g a 設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循的一個(gè)重要原則。同步時(shí)序設(shè)計(jì)的方 法是所有的操作都利用時(shí)鐘沿來(lái)進(jìn)行觸發(fā)，如果在時(shí)序要求方面所有寄存器都能夠被 滿足，那么系統(tǒng)可以獲得更高的穩(wěn)定性與可靠性。 第三章c m o s 相機(jī)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理 整個(gè)相機(jī)按照功能實(shí)現(xiàn)來(lái)劃分，可以分為三個(gè)部分，包括圖像采集單元、圖像處 理單元、圖像傳輸單元。 圖像采集單元主要器件是c m o s 圖像傳感器，它負(fù)責(zé)將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 信號(hào)以形成數(shù)字圖像。在這個(gè)部分，最主要的工作就是通過(guò)對(duì)圖像傳感器芯片的深入 研究，在f p g a 和外圍電路的控制下采集到比較清晰的圖像。 圖像處理單元的核心器件是f p g a ，在外圍器件的配合下它可以在相機(jī)內(nèi)部對(duì)采集 到的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以條碼的形式疊加上當(dāng)時(shí)的g p s 時(shí)間信息并進(jìn)行緩存， 保證后端流暢地進(jìn)行傳輸。有了這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，它相當(dāng)于把原有瞄準(zhǔn)線獲取裝置的 視頻處理箱集成到了相機(jī)上，不但減小了體積與系統(tǒng)復(fù)雜度，也節(jié)省了開發(fā)成本。 圖像傳輸單元負(fù)責(zé)把采集到的圖像數(shù)據(jù)高效地傳輸出去。設(shè)計(jì)的主要工作是數(shù)據(jù) 通路的搭建和千兆以太網(wǎng)接口的實(shí)現(xiàn)。 其具體原理框圖如圖3 1 所示。 圖3 1c m o s 相機(jī)整體框圖 3 2 圖像采集單元電路設(shè)計(jì) 3 2 1c m o s 器件的選型 c m o s 圖像傳感器器件有很多型號(hào)可供選擇，在綜合考慮了瞄準(zhǔn)線獲取裝置中所 需要相機(jī)的體積大小、精度要求以及成本控制等因素后，本設(shè)計(jì)選用了鎂光公司生產(chǎn) 的m t 9 t 0 0 1 ，該芯片是一款3 0 0 萬(wàn)像素的c m o s 圖像傳感器，它采用了d i g i t a lc 1 a r i t y c m o s 技術(shù)，在工作時(shí)具有低噪聲、高靈敏度和弱暗電流等特性，并且能夠?qū)崿F(xiàn)窗口 截取，行列跳躍讀取等功能。表3 1 為m t 9 t 0 0 1 的主要性能參數(shù)。 表3 1m t 9 1 啪l 主要性能參數(shù) m t 9 t 0 0 1 主要性能參數(shù) 圖像尺寸 像素?cái)?shù) 像素尺寸 幀率 數(shù)字輸出速率 a d 分辨率 最大信噪比 動(dòng)態(tài)范圍 供電電壓 封裝 6 5 5m m 4 9 2m m 2 0 4 8 1 5 3 6 3 2 u l n 3 2 啪 q v g a1 2 邱s v g a1 0 0 幣s 4 8 m h z 1 0 b i t 4 3 d b 6 1 d b 3 0 v 3 6 v 4 8 一p i np l c c 根據(jù)m i c r o n 公司所提供的芯片資料分析，在分辨率、功耗、噪聲參數(shù)、體積等方 面都能夠很好的滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，因此在本設(shè)計(jì)中選用m t 9 t 0 0 1 作為圖像采集芯 片。 3 2 2 圖像傳感器m t 9 t 0 0 1 1 m t 9 t 0 0 1 的基本特性 m t 9 t 0 0 1 主要由六個(gè)部分組成：時(shí)鐘發(fā)生模塊、像素單元陣列、模擬信號(hào)處理器、 a d 轉(zhuǎn)換器、i i c 總線控制模塊和輸出控制模塊。具體結(jié)構(gòu)圖如圖3 2 所示。 圖3 2m t 9 t 0 0 1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 該芯片的主要特性如下n ： 1 ) 采用美光專利技術(shù)d i g i t a lc l a r i t y ，這種低噪高靈敏度的技術(shù)使得該芯片在低光 照的條件下依然有著優(yōu)秀的成像品質(zhì)。 2 ) 具備高分辨率和高幀速率的優(yōu)勢(shì)，它既實(shí)用于靜態(tài)圖像的捕捉，又可以用于對(duì) 1 4 連續(xù)視頻圖像的采集。 3 ) 低暗電流。圖像傳感器在沒(méi)有光照的情況下依然會(huì)有信號(hào)的輸出，這種現(xiàn)象叫 做暗電流，這個(gè)因素嚴(yán)重地限制了圖像傳感器的動(dòng)態(tài)范圍與靈敏度，所以m t 9 t 0 0 1 的 這個(gè)優(yōu)勢(shì)大大地增強(qiáng)了其成像的質(zhì)量。 4 ) 片內(nèi)寄存器的配置采用通用、簡(jiǎn)單的i i c 串口通信方式。方便對(duì)其進(jìn)行控制。 如圖3 3 所示，整個(gè)陣列的右上角為像素陣列的零點(diǎn)，工作時(shí)，圖像數(shù)據(jù)的輸出順 序是自右向左，自上向下。其整個(gè)陣列的四周有一些像素點(diǎn)不能感光，這些像素點(diǎn)雖 然無(wú)法采集到圖像，但它們可以起到監(jiān)控整個(gè)陣列暗電平的作用。在有效像敏元和非 感光像敏元之間還存在著一些不作為有效圖像數(shù)據(jù)輸出的感光像素，它們的作用是在 色彩插值時(shí)圖像邊界的色彩信息，有效地避免了不良邊界效果的產(chǎn)生。 ( 0 ，0 ) q v g a ( 2 0 4 8 1 5 3 6 ) + 4p i x e lb o u n d a r y + a d d i t i o n a la c t i v e = 2 0 5 7 1 5 4 5a c t i v e p i x e l s 圖3 3m t 9 t 0 0 1 像素陣列結(jié)構(gòu) 2 m t 9 t 0 0 1 引腳描述 m t 9 t 0 0 1 所采用的是4 8 腳的p l c c 封裝，其具體的引腳功能如表3 2 和表3 3 所 二【2 3 】 刊、 o 表3 2m t 9 t 0 0 1 引腳描述( 1 ) 表3 3m t 9 t 0 0 l 引腳描述( 2 ) 3 2 3m t 9 t 0 0 1 的電路設(shè)計(jì) m t 9 t 0 0 1 的主要接口電路為與f p g a 之間的連接，其硬件原理圖如3 5 所示，由 m t 9 t 0 0 1 所輸出的p i x c l k 信號(hào)作為兩者之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐綍r(shí)鐘，行同步 ( h a c t ) 、場(chǎng)同步( v a c t ) 則是f p g a 判斷采集到有效圖像數(shù)據(jù)的一個(gè)條件。用戶 要想對(duì)m t 9 t 0 0 1 進(jìn)行功能的個(gè)性化設(shè)置，需要通過(guò)i i c 總線對(duì)m t 9 t 0 0 1 的寄存器進(jìn) 行讀寫。 c l ki n p l l4 舢z p i x c l kc l ki n l i n ew 也i dl i n ev a l i d d 9 ：o d a t a 9 ：o s c l ks c l m t 9 t 0 0 1 s n a t as d a t r i g g e r f p g a g s h rc t l f j t a i 匝w 也i d f r a - 壓v a l i d s t r 冊(cè)e r e s e t r s t o e 圖3 5m t 9 t o o l 與f p g a 的接口示意圖 為了方便整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和安裝，本設(shè)計(jì)把圖像傳感器單獨(dú)放在一個(gè)小板上，用 插座和排線來(lái)處理與后續(xù)電路的連接。電路的設(shè)計(jì)中，把3 3 v 的電源用磁珠隔離成兩 路，分別作為模擬電源和數(shù)字電源。圖3 6 、圖3 7 分別為所設(shè)計(jì)的m t 9 t 0 0 1 的原理 圖和p c b 板圖。 1 6 u 口0 p u o o 衛(wèi)u 0 z 9 z z l 蠹l z l o盆白 嗣 a m 吖 7 k 喇a(chǎn) 田th n v 陌眥v l酣島國(guó)喊 n c d g n d 掣皿瑚l鼉 蕊 a g n dd 7 v a ad 6 a g n dd 5 a g n d h ) 默 凸。苫 呈| 8 五9 8 吝星z 口凸凸。凸凸u z 呈米a l _ j ： 1 正 圖3 6m t 9 t 0 0 l 原理圖設(shè)計(jì) 3 3 圖像處理單元設(shè)計(jì) 圖3 7m t 9 t 0 0 lp c b 設(shè)計(jì) 在圖像處理部分，首先要在圖像上疊加瞄準(zhǔn)線獲取裝置中所需要的信息。接著把 圖像按幀存入作為緩存的s d 刪中，在存儲(chǔ)的同時(shí)從s d r a m 中讀出上一幀的圖像 進(jìn)行傳輸。它的主要器件包括主控芯片( f p g a ) 、圖像緩存芯片( s d r a m ) 以及時(shí)間 信息接收模塊( g p s 模塊) 。 3 3 1 數(shù)字邏輯器件的選型 本設(shè)計(jì)采用f p g a 作為相機(jī)模塊的數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)部件，其主要的功能是：通過(guò)i i c 接口對(duì)c m o s 圖像傳感器進(jìn)行控制；芯片內(nèi)數(shù)據(jù)緩沖以及與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件s d r a m 進(jìn) 行交互；對(duì)以太網(wǎng)接口芯片的控制以及與之進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。 設(shè)計(jì)中實(shí)際采用a l t e r a 公司的生產(chǎn)的c y c l o n ei i i 系列芯片，c y c l o n ei i i f p g a 系列 前所未有的實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能和低功耗，這個(gè)系列的f p g a 還進(jìn)一步優(yōu)化了硬件 和軟件，在所有的6 5 m 的f p g a 中功耗做到了最低，該系列主要有8 個(gè)器件，具體 型號(hào)如表3 3 所示乜蚰_ 2 釘。 表3 - 4c y c l o n ei i i 系列器件簡(jiǎn)介 通過(guò)綜合資源、體積、i o 等方面的因素，設(shè)計(jì)中選擇e p 3 c 2 5 f 3 2 4 c 8 n 芯片，可 以很好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中所需要的各個(gè)功能。 3 3 2f p g a 電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的所選用的f p g a 芯片e p 3 c 2 5 f 3 2 4 c 8 n 的i o 口一共分為8 個(gè)b a n k ，共 2 1 5 個(gè)可用i o ，需要與之接口的單元主要有圖像傳感器、s d ra m 、g p s 模塊和千兆 以太網(wǎng)物理芯片。 f p g a 與各單元的連接方式示意圖已在各單元說(shuō)明中給出，下面的圖3 8 和圖3 9 是f p g a 的部分引腳分配設(shè)計(jì)。 d 隙螄p 6 d 圓1 b d a 3u t1 、c d1 n n r 、t n d o r 鯽v 7i ：刪-u 嶧1 w 1 n d b 1 d d rd v 6 l v d e bv d o b b 2 d d rd 0 61 5 l v d s bo p 巾b 3 聚d 。4p 9 d d rd r 8 l 、u 7 i 、u 、p o d 隙d v 5 l ) s 8 班煳b 5 d 阻1v 4 l v d 田孫b 6 l v 鼬日q d o b b 7 d d rd ( u 4 l v d s b6 f 旺_ 0 b b 8 rd o s 0 l b l v d s 85 b _ d 0 略b d d r 【) ( ) s 1 t 8 l v 泊n 硼5 b t 6d d r 咖v 3 l v 啞5 】q b bi o 像e i i 】b 3 d 隙踴m l v d s 81 孫n 孫髓 心 d 隙 ol n i o n 9 rc snv 1 l v i 6 8l p1 1 0 bl p 7 砌 a 5 m 6 l v d 國(guó)l n】o b2 n 6 l m 睡b2 p l v d s b2 n ( l k l 5 幾v d 8 ( l k 6 p u rc a snt 4 v 9 l v d s 83 pa 。k 1 4 ，l m 艦k 6 n m l v i 薹84 nh 。l l0 u t d u ! d o rc l kl d d ra lu 5 l v d s b7 p a 工1q j r n v 2 d d rc l k l ra 4丹 l v d s b9 p 圖3 8f p g a 部分引腳設(shè)計(jì)( 1 ) d d rc 炷r 1 3 p 1 2 d 0 & b 案 l v d 5 b2 4 ni ：告去一 d d r 姆3t nt o lv l ，a bj 伽、y l 研廿lv l 出z ) 川 d d rr a snv 1 6 r i ) 0 1 3r 1 1 l v d 匝2 陽(yáng)q 5 0 b d d r 1 1v 1 5 d b 1 t 、h 、 ，u o d d rd o l 5 v 1 4 l 、口田唧b 3 d d rd 0 1 2 u 1 4 船忙刪 慧熙。黑i ：訝丹巾q m 5 譬謄慧黑i ：諾妄6 p 巾q 5 8 6 慧黑黑 ；溢鯽匝l 葛b 7 柬d o l ou 1 l ：- ? ：= ：_ l v j 】b bl j 竹u o t 硒 d c rb a 0v 1 l t n1 t n ，d c i n d t 1 1v c c l 2 5 燃鼢1 靜：淵茶 一 t 1 3 ) ra s1 t t 1 m 聚朋2u 1 6j _ ? ：9 p i o 霞心 t 1 4 0 ra 7 。案黼篙鬻羔n 剛 麟朋，靜：戰(zhàn)黜 v 1 8m rc l k o | l 2 j _ 一l v d 田2 4 p e 獼c 2 5 f = ；2 4 一d 圖3 9f p g a 部分引腳設(shè)計(jì)( 2 ) 3 3 3 圖像緩存芯片選型 目前最常用的圖像緩存芯片主要是s 刪( 靜態(tài)內(nèi)存) 和d 刪( 動(dòng)態(tài)內(nèi)存) 兩 大類，s 洲的優(yōu)點(diǎn)是讀取速度比較快，而且控制 昂，主要是作為系統(tǒng)的高速緩存來(lái)應(yīng)用；d 刪雖 度高而且價(jià)格低廉，它比較適合作為系統(tǒng)的大容量 機(jī)的內(nèi)存條。 起來(lái)比較方便，但由于它的價(jià)格高 然相對(duì)速度比較慢，但是它的集成 的主存儲(chǔ)器，它的主要應(yīng)用是計(jì)算 隨著科技的發(fā)展，動(dòng)態(tài)內(nèi)存的速度等性能也不斷提高，近幾年比較流行的有e d o 1 9 動(dòng)態(tài)內(nèi)存和s d 毗蝴( 同步動(dòng)態(tài)內(nèi)存) ，e d o 動(dòng)態(tài)內(nèi)存是基于普通的d r a m 發(fā)展起來(lái) 的，它不光性能上有了很大的提高，而且價(jià)格上也有一定的優(yōu)勢(shì)，而s d 洲又是在 e d o 動(dòng)態(tài)內(nèi)存的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它采用了同步技術(shù)，內(nèi)存和外部系統(tǒng)保持同一頻 率工作，使得性能又有了很大的提高?？紤]到本設(shè)計(jì)所要求的大容量、低成本等特點(diǎn)， 選用s d 洲作為系統(tǒng)的圖像緩存芯片。 對(duì)于s d r a m 的具體選型需要綜合考慮存儲(chǔ)容量、供電電平、數(shù)據(jù)線寬度、芯片 面積等因素。根據(jù)所選用的圖像傳感器，由于其最大采集像素點(diǎn)數(shù)是2 0 4 8 1 5 3 6 ，每 像素用1 0 b i t 來(lái)表示，所以存儲(chǔ)每幀圖像最大的空間為3 2 m b ；圖像數(shù)據(jù)的像素時(shí)鐘是 4 8 m h z ，可知圖像的數(shù)據(jù)速率是2 0 8 3 n s ，要想比較穩(wěn)定的讀寫數(shù)據(jù)，s d 洲的最短 訪問(wèn)時(shí)間要小于這個(gè)值。綜上所述，選用了鎂光公司的容量為2 5 6 m b 、最短訪問(wèn)時(shí)間 為7 5 n s 的m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 作為系統(tǒng)的圖像緩存芯片讓。 這款芯片的主要特性為乜7 1 ： 兼容p c i 0 0 、p c i 3 3 規(guī)范； 所有信號(hào)完全同步，在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行觸發(fā)； 采用內(nèi)部流水線操作，在每個(gè)時(shí)鐘周期都可以改變列地址； 內(nèi)部采用多個(gè)b a n k 結(jié)構(gòu)，可以隱藏預(yù)充電周期和行訪問(wèn)周期； 突發(fā)長(zhǎng)度可通過(guò)編程來(lái)設(shè)置，分別為1 、2 、4 、8 或整頁(yè)； 自刷新模式； 輸入輸出兼容l v t t l ； 單電源+ 3 3 v 士0 3 v 供電。 3 3 4s d r a m 的結(jié)構(gòu)和工作原理 s d 刪的內(nèi)部是一個(gè)存儲(chǔ)陣列，它可以將要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)像填表格一樣填到存儲(chǔ)陣 列中，只要確定行和列的序號(hào)，就可以準(zhǔn)確地找到表格中單元格的位置，也就是存儲(chǔ) 單元的位置。多個(gè)單元格組成的這張表格，就是s d i 乙蝴中的b a n k ，在s d 刪中可 以有多個(gè)b a n k ，但同一時(shí)間只能有一個(gè)b a n k 工作。 存儲(chǔ)單元工作的原理其實(shí)就是存儲(chǔ)電容的充放電過(guò)程，放電代表著讀取，充電代 表著寫入，而這個(gè)電容能否與外界電路導(dǎo)通來(lái)進(jìn)行充放電是由行選信號(hào)與列選信號(hào)決 定。其具體結(jié)構(gòu)如圖3 1 0 所示。 s d 洲的地址線是復(fù)用的，即行地址和列地址利用同一地址線分兩次進(jìn)行接收， 這么設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是大大地減少了地址線的數(shù)量?，F(xiàn)在的s d 刪還把器件分成很多獨(dú) 立的小塊，它們以b a n k 為單位，在同一時(shí)間只有一個(gè)b a n k 在工作，其它的b a n k 就 可以處于低功耗的模式下，這可以在很大的程度上降低器件的功耗。 2 0 行地址線 列 刷新放大器 圖3 1 0s d r a m 存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu) s d ra m 的基本信號(hào)接口主要分為以下幾種： 1 ) 控制信號(hào)：包括c s ( 片選) 、c l n ( 時(shí)鐘有效) 、c l k ( 同步時(shí)鐘) 、