基于FPGA的高速图像采集系统的详细分析与结论

现代化生产和科学研究对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，不能很好地满足特殊要求，因此，我们构建了高速图像采集系统。它主要包括图像采集模块、图像低级处理模块以及总线接口模块等。这些模块是在FPGA中利用VHDL编程实现的。高速图像采集系统主要用于视觉检测。视觉检测中图像处理的特点是：底层图像处理数据量大，算法简单；高层图像处理算法复杂，数据量大，算法简单；高层图像处理算法复杂，数据量小。对于图像底层处理，我们在高速图像采集系统中用FPGA实现，采用VHDL编写图像处理算法；对于图像高层处理，由计算机软件实现。由于VHDL设计灵活、编程方便，易于在FPGA中实现并行运算和流水线结构；所以，高速图像采集系统的速度快、适应性好。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构设计
高速图像采集系统结构模型如图1所示。它的输入为标准的模拟视频信号，用可编程视频输入处理器SAA7111进行视频信号处理。SAA7111内部集成了强大的图像色度、亮度处理功能以及多种输出模式；有32个工作寄存器，在系统复位时，必须通过FPGA1的IC2总线模块对其进行初始化。SAA7111输出的图像数据通过FPGA芯片进行采集与处理，采用Xilinx公司的XC2S150芯片。XC2S150是Spartan II系列产品。它基于Virtex系列的结构，支持所有相关的特性，具有很高的性能价格比；采集与处理的图像数据在传送到计算机之前，存储在高速SRAM CY7C1049V33中，SRAM的容量为512K×8bit。与计算机通常采用PCI总线，由S5933来实现。S5933是一种功能强大的PCI控制器，符合PCI2.1规范。
1.2 工作原理
系统复位完成FPGA程序加载后，先由FPGA1的I2C总线模块对SAA7111初始化，初始化结束后等待采集图像的命令。初始化成功后，SAA7111实时处理模拟视频信号，输出亮度和色度信号，同时输出点时钟信号，行、场同步信号，行、场参考信号，奇偶场标志信号等。本系统使用灰度图像，没有使用色度信号，所以数据线为8位。
系统采集图像的命令由计算机发出。采集命令通过PCI总线传输到FPGA1，启动FPGA1的采集同步模块。采集同步模块发出采集标志信号，采集一帧图像，通过写数据模块产生写地址和写信号将数据存储到SRAM1中。采集结束时，采集标志信号撤消，采集同步模块复位，等待下一次采集命令。采集标志信号撤消时，FPGA1开始读取SRAM1中的图像信息，这是通过读数据模块生产读地址和读信号来实现的。FPGA1将1帧图像数据进行噪声去除后，存储到SRAM2中，并发信号给FPGA2。FPGA2通过FPGA1读取SRAM2中数据，经过边缘检测处理后存储到SRAM3中。FPGA2处理完1帧图像数据后，将SRAM3中的图像信息读出传送给S5933，然后通过PCI总线传送到计算机中。
在图像采集过程中，我们使用的是512×512的图像，即一帧图像采集512行，奇数场和偶数场各采集256行，每一行采集512个像素。因此，需要通过行延时模块进行行选择，滤掉无效行，通过像素延时模块进行像素选择，以选择需要的像素。

 

2 图像采集与数据存储部分的VHDL设计

系统中FPGA的设计是用VHDL编程实现的。VHDL是一种应用非常广泛的硬件描述语言，它的语言覆盖面广，描述能力强；可以描述最抽象的系统级，也可以描述最精确的逻辑级、门级。
本系统是采用结构化VHDL进行设计的，整个图像采集部分是一个VHDL语言文件，包括几个BLOCK语句。2片FPGA芯片个有不同的程序，其中FPGA1既包括图像采集部分，又包括图像处理与数据存储部分；FPGA2为图像处理与数据存储部分以及PCI接口控制部分。2片FPGA时程序加载采用串行主/从模式。
FPGA1采用串行主模式，FPGA2采用串行从模式，由FPGA1从SPROM中读取配置数据，完成自身配置，并完成对FPGA2的配置。图像采集与数据传送部分的VHDL模块主要包括Set_sample.vhd、Wr.vhd、Rd.vhd、Delay.vhd、Bus_assign.vhd等，各模块之间通过信号相互联系。下面分别介绍各模块实现的功能。
（1）Set_sample.vhd采集同步模块
它是图像采集部分的一个块语句，输入输出信号为：
pcicon0-IN，启动采集图像信号；
vref-IN，场参考信号；
rts0-IN,奇偶场标志信号；
sig_frame-OUT，采集同步输出信号，高电平有效，用于图像采集和总线管理模块；
sig_field-OUT，采集同步场参考信号，采集1帧图像的场参考信号。
源程序如下：
set_sample:block
signal flagct:std_logic_vector(2 downto 0）；
begin
process(pcicon0,vref)
begin
if(pcicon0=O)then
flagct<=01;
elsif(vref event and vref="J")then
if(flagct=001and rts0=1)then
flagct<=010;
elsif(flagct=010)then
flagct<=011;
elsif(flagct=011)then
flagct<=100;
end if;
end if;
end process;
process(flagct)
begin
if(flagct=010 or flagct="011")then
sig_frame<=1;
else
sig_frame&

lt;=0;
 
end if;
end process;
sig_field<=sig_frame and vref;
end block；
当pcicon0引脚再现大于等于场周期(20ms)的低电平信号时，可以确保该模块处于触发状态，在下一个奇数场出现时，(rts0=1)，根据SAA7111的场参考信号产生具有两场时宽的采集同步信号（sig_frame）。该信号有效时为图像采集阶段，对SRAM1写入数据；该信号撤消时采集同步模块自动复位，等待下一次采集命令，同时FPGA1开始读取SRAM1中数据进行处理。采集同步信号有效的同时输出采集同步场参考信号，用于采集图像数据。
(2)Delay.vhd延时模块
包括行延时和像素延时。当采集信号有效时，在每一场产生行延时，滤掉无效行，每一场采集256行；当采集信号有效且行延时结束时，在每一行产生像素延时，去掉不需要的像素，只采其中的512个像素。
(3)Wr.vhd写数据模块
在图像采集阶段，收到行延时结束信号和像素延时结束信号时，按照SAA7111的参考信号的输出时序，产生相应的写地址，并根据SRAM的写时序产生写信号，此时与SRAM接口的FPGA的I/O口为输出状态。在图像处理阶段向SRAM写数据时，写地址的产生不考虑行延时和像素延时。
(4)Rd.vhd读数据模块
在读SRAM时，依据SRAM的读时序，产生读地址和读信号。此时与SRAM接口的FPGA的I/O口为输入状态。
(5)Bus_assign.vhd总线管理模块
总线管理模块主要负责FPGA与SRAM的地址总线切换、数据总线切换，以及在系统中不同芯片之间建立数据通路等。FPGA中包括写数据地址模块和读数据地址模块，与SRAM地址总线接口时必须进行总线切换：写数据时，写地址线接通SRAM的地址线；读数据时，读地址线接通SRAM的地址线。FPGA与SRAM数据线的接口为双向口，在写数据时是输出口，读数据时是输入口，需要设置三态控制。在系统中其它芯片之间也有这种情况。
进行VHDL设计时，最好各模块单独进行并及时仿真验证，以便尽早发现问题。系统中其它模块在此不再叙述。

3 结论

高速图像采集系统的硬件实现是用VHDL设计的。通过建立VHDl行为模型和进行VHDL行为仿真，可以及早发现设计中潜在的问题，缩短了设计周期，提高了设计的可靠性和效率。实践表明：VHDL在硬件设计上是非常有效的，它是当代电子设计工程师进行硬件设计时必须掌握的工具。