Thiết kế mạch phần cứng và thiết kế mã chương trình điều khiển của mỗi khối chức năng, bao gồm: khối thu thập hình ảnh, bộ nhớ lưu dữ liệu hình ảnh SDRAM, màn hình hiển thị hình ảnh VGA
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU VĂN THÀNH CHU VĂN THÀNH THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG THU VÀ HIỂN THỊ ẢNH TRÊN NỀN FPGA KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG 2011 B HÀ NỘI – 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131724941000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHU VĂN THÀNH THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG THU VÀ HIỂN THỊ ẢNH TRÊN NỀN FPGA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VÕ LÊ CƯỜNG HÀ NỘI – 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu, số liệu, hình vẽ, biểu bảng, kết tính tốn trình bày luận văn hồn tồn trung thực, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam TÁC GIẢ LUẬN VĂN Chu Văn Thành Trang | DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ASIC : Application Specific Integrated Circuit (vi mạch tích hợp chuyên dụng điện tử) CCD : Charged Coupled Device (thiết bị tích điện kép) CLB : Configurable Logic Blocks (khối cấu hình lơgic) CMOS : Complementary Metal-Oxide Semiconductor (cơng nghệ dùng để chế tạo vi mạch tích hợp) CPLD : Complex Programmable Logic Device DSP : Digital signal processing (xử lý tín hiệu số) FPGA : Field-programmable gate array (vi mạch dùng cấu trúc mảng phần tử logic mà người dùng lập trình được) GAL : Generic Array Logic devices HDL : Hardware Description Language (Ngôn ngữ mô tả phần cứng) LUT : Look-Up Table MSI : Medium scale intergration (Tích hợp qui mơ trung bình) PAL : Programmable Array Logic devices PC : Personal Computer (Máy tính cá nhân) PDA : Personal Digital Assistant (Thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân) PLD : Programmable Logic Device (Thiết bị logic lập trình được) RAM : Random Access Memory (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên) ROM : Read Only Memory (phần nhớ đọc) SDRAM : Synchronous Dynamic RAM (DRAM đồng bộ) SSI : Small scale integration (Tích hợp qui mơ nhỏ) TTL : Transistor transistor logic VHDL : VHSIC Hardware Description Language VGA : Video Graphics Array Trang | DANG MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1: Thơng số đặc trưng FPGA dịng CycloneII 24 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật OV9650 29 Bảng 2.3: Mô tả Pin 33 Bảng 2.4: Giá trị cực đại OV9650 34 Bảng 2.5: Đặc điểm DC (-20 ° C < TA < 70 ° C) .35 Bảng 2.6: Đặc điểm chức AC (-20 ° C < TA < 70 ° C) .36 Bảng 2.7: Các chế độ truy cập SDRAM 39 Bảng 2.8: màu từ bit VGA: 44 Bảng 3.1: Thời gian hiển thị với chế độ VGA 640 x 480 57 Bảng 4.1: Tham số cấu hình OV9650 [21] .61 Bảng 4.2: Giao diện lệnh 68 Trang | DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Cấu trúc tổng thể FPGA 12 Hình 1.2 Khối Logic FPGA 13 Hình 1.3: Khối Configurable Logic FPGA .14 Hình 1.4: Programmable Interconnect 15 Hình 1.5: Sơ đồ tổng quan cảm biến hình ảnh CCD 16 Hình 1.6: Sơ đồ khơi cảm biến hình ảnh CCD 17 Hình 1.7: Sơ đồ khơi cảm biến hình ảnh CMOS 17 Hình 1.8: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 20 Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát hệ thống thu hiển thị ảnh 22 Hình 2.2: Board DE1 .25 Hình 2.3: Sơ đồ Pin OV9650 30 Hình 2.4: Sơ đồ khối chức OV9650 31 Hình 2.5: Mảng cảm biến hình ảnh 31 Hình 2.6: Sơ đồ khối SDRAM 38 Hình 2.7: Sơ đồ kết nối VGA 45 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý khối Camera 47 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối cấp nguồn, ngõ vào xung chuyển mạch 48 Hình 3.3: Sơ đồ khối điều khiển SCCB 48 Hình 3.4: Sơ đồ thời gian truyền liệu dây 49 Hình 3.5: Sơ đồ thời gian truyền liệu dây 49 Hình 3.6: Sơ đồ Phases truyền 49 Hình 3.7: Sơ đồ khối thu thập hình ảnh 50 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối SDRAM 51 Hình 3.9: Sơ đồ tổng quan hệ thống điều khiển SDRAM 52 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý khối VGA 53 Hình 3.11: Sơ đồ khối điều khiển VGA 54 Hình 3.12: Sơ đồ thời gian hiển thị CRT 54 Trang | Hình 3.13: Sơ đồ thời gian quét theophương ngang 55 Hình 3.14: Sơ đồ thời gian tín hiệu quét theo phương dọc 56 Hình 3.15: Thời gian điều khiển chế độ VGA 640 x 480 56 Hình 4.1: Sơ đồ khối thực hệ thống 58 Hình 4.2: Quy trình hoạt động hệ thống 59 Hình 4.3: Sơ đồ khối điều khiển cảm biến OV9650 60 Hình 4.4: Kết mô thu ảnh từ OV9650 60 Hình 4.5: Kết mô ghi liệu xuống OV9650 61 Hình 4.6: Kết mơ truyền Phase ghi 61 Hình 4.7: Kết mơ truyền Phase đọc 63 Hình 4.8: Sơ đồ khối điều khiển SDRAM 64 Hình 4.9: Sơ đồ khối Module Control Interface .65 Hình 4.10: Sơ đồ khối Module Command 66 Hình 4.11: Sơ đồ khối Module Data Path 68 Hình 4.12: Sơ đồ thời gian SDRAM READA 69 Hình 4.13: Sơ đồ thời gian SDRAM WRITEA 70 Hình 4.14: Sơ đồ thời gian SDRAM REFRESH 71 Hình 4.15: Sơ đồ thời gian SDRAM Precharge 71 Hình 4.16: Sơ đồ thời gian SDRAM LOAD MODE 72 Hình 4.17: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển VGA .73 Hình 4.18: Sơ đồ thời gian điều khiển khung hình 640 x480 74 Hình 4.19: Sơ đồ khối thời gian điều khiển dòng 74 Hình 4.20: Phần cứng tổng quát hệ thống 74 Hình 4.21: Phần cứng khối thu thập hình ảnh 76 Hình 4.22: Kit phát triển FPGA DE1 76 Hình 4.23: Màn hình hiển thi ảnh .77 Hình 4.24: Hình ảnh thu từ camera OV9650 77 Trang | MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH TĨM TẮT MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích nghiên cứu, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Tóm tắt đọng luận điểm đóng góp tác giả Nội dung trình bày luận văn Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính thời đề tài 1.2 Hướng nghiên cứu đề tài 1.3 Tổng quan hệ thống thu hiển thị ảnh 1.3.1 Tổng quan thiết bị logic lập trình 1.3.2 FPGA ưu, nhược điểm 1.3.3 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh 1.4 Cấu trúc tổng quan hệ thống 15 19 1.4.1 Ý tưởng thiết kế hệ thống 19 1.4.2 Cấu trúc tổng quan hệ thống 20 1.5 Tóm tắt chương Chương 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN HỆ THỐNG 21 22 2.1 Cấu trúc phần cứng hệ thống 22 2.2 Lựa chọn chip FPGA 23 2.3 Lựa chọn cảm biến hình ảnh 26 2.3.1 Giao diện cảm biến CMOS OV9650 28 2.3.2 Tính OV9650 28 2.3.3 Thơng số kỹ thuật OV9650 29 Trang | 2.3.4 Sơ đồ Pin OV9650 30 2.4 Lựa chọn khối nhớ hệ thống 37 2.5 Lựa chọn giao diện hiển thị ảnh 44 Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP HÌNH ẢNH 3.1 Thiết kế khối Camera 47 47 3.1.1 Thiết kế mạch giao diện Camera 47 3.1.2 Thiết mã chương trình điều khiển camera 48 3.2 Thiết kế khối nhớ hệ thống 51 3.2.1 Thiết kế mạch giao diện SDRAM 51 3.2.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển SDRAM 51 3.3 Thiết kế khối hiển thị hình ảnh 53 3.3.1 Thiết kế mạch giao diện VGA 53 3.3.2 Thiết kế mã chương trình điều khiển VGA 53 3.4 Kết luận chương Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC HIỆN HỆ THỐNG TRÊN FPGA 4.1 Thực hệ thống FPGA 57 58 58 4.1.1 Khối điều khiển cảm biến hình ảnh CMOS 59 4.1.2 Khối điều khiển đọc, ghi liệu SDRAM 64 4.1.3 Khối điều khiển hiển thị VGA 72 4.2 Kết thực hệ thống 74 4.3 Tóm tắt chương 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 Kết luận 79 Kiến nghị 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 1: CÁC KHỐI THÀNH PHẦN 83 PHỤ LỤC 2: MÃ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG THU VÀ HIỂN THỊ ẢNH 85 PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ CẤU TRÚC MÃ CHƯƠNG TRÌNH 101 PHỤ LỤC 4: BẢNG ĐỊA CHỈ VÀO RA FPGA 102 Trang | TÓM TẮT Với phát triển ứng dụng rộng rãi hệ thống nhúng, nghiên cứu ứng dụng thu thập xử lý hình ảnh Tuy nhiên cấu trúc thiết kế hệ thống nhúng hạn chế tốc độ xử lý ảnh hưởng tới chất lượng hình ảnh thu được, liệu video có kích thước lớn, việc thực ảnh thời gian thực với độ tin cậy cao hệ thống nhúng khó thực Đối với hệ thống thu thập hình ảnh tốc độ cao với trình thời gian thực, yêu cầu tốc độ xử lý cao số lượng lớn liệu hình ảnh cần xử lý Hệ thống thu thập hình ảnh sử dụng rộng rãi cơng nghiệp, quân sự, y tế, an ninh, ví dụ như: điện thoại video, hội nghị truyền hình, hệ thống giám sát, điều khiển công nghiệp, giám sát từ xa Sự phát triển nhanh chóng FPGA cung cấp giải pháp cho hệ thống thu thập xử lý hình ảnh Bài luận văn đưa phương án thiết kế, thực hệ thống thu thập hiển thị hình ảnh với trình thời gian thực FPGA, với nội dung trình bày ứng dụng, tình trạng nghiên cứu hệ thống thu thập hình ảnh, so sánh ưu điểm nhược điểm DSP, ASIC FPGA hệ thống thu thập xử lý hình ảnh, đề xuất thiết kế thực hệ thống thu thập hình ảnh FPGA Trong thiết kế hệ thống chia thành năm module chức chính, module thu thập hình ảnh, module lưu trữ hình ảnh, module hiển thị hình ảnh, module xử lý FPGA module ngoại vi Để thực hệ thống, tác giả đưa lựa chọn chip thiết kế mạch phần cứng cho khối bao gồm: Mạch thu thập ảnh, mạch giao diện SDRAM, mạch giao diện VGA, Chip điều khiển logic giao diện thiết bị ngoại vi Trong khối FPGA điều khiển camera, nhận xử lý thơ liệu hình ảnh thu từ camera, liệu lưu tạm thời vào SDRAM sau đọc liệu hình ảnh từ SDRAM gửi cổng VGA hiển thị lên hình LCD Hệ thống thực FPGA thuộc dòng CycloneII Altera Bài luân văn thảo luận kết mô module phần mềm Quartus II thực nghiệm Kit DE1 hãng Altera, kết chứng minh tính đắn tính khả thi q trình thiết kế Các module bao gồm: Module camera CMOS, module kiểm sốt đọc ghi SDRAM module xử lý FPGA Hệ thống thiết kế theo hướng nghiên cứu đạt hiệu mong đợi phương pháp thử nghiệm xác minh Từ khóa: Thu thập hình ảnh; Bộ cảm biến hình ảnh CMOS; Thời gian thực; FPGA Trang |