基于FPGA的图像采集与存储系统设计

魏丽玲，朱 平，石永亮

（1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原030051）

基于FPGA的图像采集与存储系统设计

魏丽玲1，2，朱 平1，2，石永亮1，2

（1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原030051）

设计了一种针对具有大数据量特点图像数据采集、存储及长线回读的测控系统。在控制信号的作用下，此测控系统将CMOS传感器采集的大容量数据存储到Flash芯片中。存储完成后，通过LVDS总线，将 Flash芯片中存储的数据回传到上位机进行存盘并显示。实验证明，此系统稳定性高，在工业控制领域具有借鉴意义。

图像数据；FPGA；Flash；数据存储

0 引言

随着科学技术的发展，视觉技术被广泛应用于军事、工业以及测控领域。视觉是人们主要的信息源，通过图像采集系统对周围环境图像数据进行采集，这样机器能够替代人类获得环境信息，此种系统被广泛应用于测控系统，以获得飞行器的环境参数。利用高性能的FPGA控制图像数据的采集与图像数据处理，通过交错双平面技术对处理后的图像数据进行存储，通过USB总线，将处理后的数据传输给上位机进行解包并显示。

1 系统的总体设计

系统工作过程：采集存储模块的FPGA通过模拟IIC时序，对CMOS模拟传感器进行初始化与配置，并采集图像数据，通过信号调理电路将采集的模拟信号进行滤波放大，并将调理放大的信号进行A/D转换后输出给FPGA，FPGA将接收的数据通过内部 FIFO缓存后传输给Flash芯片进行存储。FPGA回读Flash芯片内的数据，通过 LVDS总线（型号DS92LV1023）发送给监控读数模块，通过 USB接口（型号 CY7C68013）传输给上位机，由上位机对图像进行解码显示。系统的原理框图如图1所示。FPGA采用XILINX公司的XC3S1400AN，内部包含有丰富的 RAM资源，便于数据采集[1-3]。

图1 系统的原理框图

2 CMOS图像数据采集模块

通过FPGA对CMOS图像采集模块进行逻辑控制。其中采集模块主要完成对视频图像的采集，对采集到的信号进行模数转换，并对此信号进行低通滤波及放大后[4-7]传输给图像数据存储模块进行存储。

在本文的系统设计中，对图像数据的采集是核心模块。视频前端应用CMOS图像传感器（型号OV7670），输出的图像数据最高为30帧/s，30万像素，芯片内部的寄存器达201个，通过FPGA控制单片机对传感器寄存器进行配置。单片机采用IIC总线为传感器寄存器串行传输数据，在对IIC总线时序控制中，利用 54个 SDA时钟传输32 bit的配置数据，其中前两个时钟周期完成时序模块的初始化，延时4个周期后，启动串行数据的传输，传送完一个字节数据后等待从接收器 （CMOS图像传感器）的应答信号，当单片机确定从接收器正确接收后，启动发送下一个字节的配置数据，直到发送完4个字节的配置数据后，发送终止信号，结束 IIC总线的传输，完成传感器的初始化，从而控制图像数据的质量、图像数据的制式以及数据的传输方式。其中IIC总线传输模块的时钟为30 kHz。

CMOS图像传感器将采集到的光信号转换为模拟信号，被转换的模拟信号很微弱，为达到A/D转换芯片对处理信号电平的要求，需要对传感器输出的模拟信号进行放大处理，经A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号输出。FPGA的解码部分通过控制3种同步信号（像素时钟同步信号、行同步信号和场同步信号），进而得到8 bit的RGB制式的图像数据信号。图像传感器的分辨率为640×480，行同步信号为“1”时有效，每行显示的有效数据是 640 bit；每列显示的有效数据是 480 bit，场同步信号为“0”时输出转化后的有效数据，当其变为“1”时，表明一帧图像数据传输完成。采集到的数据通过FPGA芯片的内部FIFO缓存。

3 图像数据存储模块

本文采用的FPGA片内存储器有限，考虑到大数据量的图像数据，需要外部扩展存储器，选用K9WBG08U1M型号的 Flash，此 Flash最大存储4 GB图像数据，以页为单位对数据进行读写，以块为单位对数据进行擦除，包含3种地址控制信号（列地址、行地址和块地址）。图像存储模块在上电初始化后，FPGA控制时序擦除Flash内存，并等待存储视频前端采集到的图像数据。采用交错双平面式对接收到的图像数据进行存储，将1片4 GB的Flash分成2片2 GB的Flash，对其中一片Flash进行写操作的同时对另一片Flash进行读操作，此种交错方式使输入输出不间断，实现图像数据的无缝处理，提高数据传输与处理的效率。

为了方便对图像数据进行读写操作，引入3种控制信号：地址使能信号、命令使能信号和数据锁存信号。在FPGA的逻辑时序控制中，当地址使能信号有效为“0”时，FPGA的8个I/O口并行输出地址，在对 Flash芯片进行寻址时写入32 bit地址(13 bit是字节地址，19 bit是页地址和块地址)，分5次输出；当命令使能信号有效为“0”时，8位I/O口输出命令，当数据锁存信号有效为“0”时，8位I/O口输入8 bit图像数据。图 2所示为Flash存储模块工作时序流程图。

图2 存储模块中Flash的工作时序流程图

4 监控读数模块

通过综合考虑，图像数据存储模块与监控读数模块通过低压差分传输方式（LVDS）进行数据的传输，此种传输方式适用于高速短距离传输，但是，在利用普通双绞线进行数据的传输时，信号的传输损耗随着信号频率的增加而增加。基于此种限制，在图像数据的发送端加入驱动以增强信号，在图像数据的接收端采用均衡补偿法补偿信号在传输过程中的损耗。

此监控读数模块采用LVDS接口和422接口与图像数据存储模块进行通信。LVDS接口主要负责存储命令的下发和回读存储模块的图像数据，422接口主要负责对存储模块状态的监控，通过回读存储模块的状态信息以确定存储模块是否正常工作。图3所示为监控读数模块与数据存储模块的LVDS接口示意图。存储模块接收到读数命令，通过LVDS接口，将数据传输给监控读数模块，监控读数模块通过检测数据的高两位判断是否为有效数据。若为有效数据，将此数据存储到外部的FIFO中，若为无效数据，则丢弃。监控读数模块向存储模块发送启动存数数据命令后，数据存储模块通过422接口将本身的状态信息发送给数据监控模块，通过这些状态信息能够判断存储模块是否正常工作。

图3 LVDS接口示意图

5 系统测试结果

在对本系统的硬件和软件模块调试成功后，对系统的总体功能进行测试。CMOS模拟传感器对图像数据进行采集后，通过数据存储模块对采集到的数据进行存储，由监控读数模块通过LVDS接口回读图像数据，并将此数据通过USB接口上传给上位机，上位机对此数据进行解码并显示，图4所示为还原后的图像数据。其中FAF6为帧开始标志，帧标志前面的3个字节是帧计数。

图4 通过上位机还原后的图像数据

6 结论

本文利用CMOS传感器实现了对图像数据实时采集的要求。应用K9WBG08U1M型号的Flash芯片通过交叉双平面技术对此图像数据进行存储，实现了数据的无缝传输，以流水线的数据传输方式提高了本系统的传输效率。监控读数模块通过LVDS接口和422接口对存储模块的数据进行回读并在上位机上显示。系统充分利用了具有高性能的XC3S1400AN（所用FPGA型号）芯片，提高了系统的运行速度，具有很高的参考价值。

[1]吴萌.一种高速、大容量图像存储系统设计[D].西安：中国科学院西安光学精密机械研究所，2009.

[2]邢彦梅，董晓倩，张园.一种基于 JPEG2000算法的图像传感器设计[J].电视技术，2012，36(11)：44-46.

[3]王小艳，张会新，孙永生，等.Camera link协议和 FPGA的数字图像信号源设计[J].国外电子元器件，2008，16（7）：59-61.

[4]任伟，张彦军，白先民.基于 LVDS的高速数据传输装置的设计[J].科学技术与工程，2012，12(29)：7759-7763.

[5]郭铮，刘文怡，冯妮.基于 FPGA多通道高速数据采集存储器设计[J].电视技术，2012，37(17)：55-57.

[6]蒋鹏，吴建峰，董林玺.一种改进的无线多媒体传感器网络分布式图像压缩算法[J].传感技术学报，2012，25(6)：815-820.

[7]张健，吴晓冰.LVDS技术原理和设计简介[J].电子技术应用，2000，26(5)：59-61.

图6 模拟量遥测运放输出接口优化电路

按照上述优化方案，对某气象卫星多通道遥测选通电路进行了更改与测试，测试内容包括多通道遥测选通电路输入电压和遥测采集结果。测试结果表明，多路开关间未出现明显串扰现象，在关机状态，遥测采集电压显示为0。综上，卫星多通道遥测选通电路抗串扰设计解决了遥测通道间串扰问题。

4 结论

卫星多通道遥测选通电路抗串扰设计方案首先优化了级联方式多路开关的使用，可以解决第一级多路开关同时选通多路遥测造成的线间串扰问题。卫星多通道遥测选通电路抗串扰设计同时优化了模拟量遥测运放输出接口电路，可以通过匹配电阻减小模拟量遥测传输线间串扰电压。在卫星测试过程中，卫星多通道遥测选通电路抗串扰设计方案可以避免由于串扰造成的遥测参数的误判，对优化卫星模拟量遥测电路设计、提高模拟量遥测测试精度具有一定的应用价值。

参考文献

[1]徐福祥.卫星工程[M].北京：中国宇航出版社，2004.

[2]罗映红，张博.传输线端接阻抗对线间串扰的影响研究[J].郑州大学学报（工学版），2009，30(4)：120-122.

[3]俞集辉，邹志星，李永明，等.导线电磁干扰的数值仿真[J].重庆大学学报（自然科学版），2007，30 (9)：46-50.

[4]孔德升，马秀荣，白媛，等.防护线端接方式对抑制串扰性能的研究[J].科学技术与工程，2013，13(34).

（收稿日期：2015-07-03）

作者简介：

王军旗（1983-），男，工程师，硕士研究生，主要研究方向：卫星测控总体设计与研究。

朱振华（1978-），男，高级工程师，硕士，主要研究方向：卫星总体设计与研究。

王天亮（1981-），男，高级工程师，博士，主要研究方向：卫星测控总体设计与研究。

Design of image capture and storage system based on FPGA

Wei Liling1，2，Zhu Ping1，2，Shi Yongliang1，2
(1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.School Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China)

A kind of test system which has function of storage,collection and long-term backward read to image is designed in this paper.The system stores high-capacity image data into FLASH chip.After the image data storage finishing,in order to read module backward read to control computer to save and decode through LVDS bus way.Experiments show that this system has high stability,it has reference significance in the field of industrial control.

image data；FPGA；Flash；data storage

TP274.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.019

魏丽玲，朱平，石永亮.基于FPGA的图像采集与存储系统设计[J].电子技术应用，2015，41(11)：67-69，73.

英文引用格式：Wei Liling，Zhu Ping，Shi Yongliang.Design of image capture and storage system based on FPGA[J].Application of Electronic Technique，2015，41(11)：67-69，73.

2015-08-13)

魏丽玲(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向：动态测试技术与仪器。

朱平（1976-），通信作者，女，硕士生导师，讲师，主要研究方向：测试计量技术及仪器，E-mail：632138759@qq. com。

石永亮 (1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向：动态测试技术。