基于FPGA玻璃缺陷圖像采集處理系統

1 圖像采集處理系統硬件平臺
在圖像信號處理過程中為保證實時性，首先要求實時圖像處理系統具有處理大數據的能力；其次對系統體積的大小、功能、穩定性等也有嚴格要求。實時圖像處理算法中經常要用到對圖像的求和、求差、二維梯度、圖像分割等不同層次、不同種類的運算。基于上述因素，考慮到FPGA和DSP的優異性能，這里在玻璃缺陷檢測系統中采用了如圖1所示的硬件平臺。

系統內各模塊功能簡要描述如下：
(1)視頻采集異步FIFO模塊(內嵌于FPGA中)接收從視頻A／D芯片SAA7113送來的數字視頻流，解決系統數據緩沖和異步時鐘的問題，因為SAA7113送過來的LLC頻率為27 MHz，而FPGA系統時鐘頻率為48 MHz。
(2)視頻解碼模塊用來對得到的數字視頻流進行解碼，識別出行、場同步信號，并且根據需要選擇采集圖像的大小。
(3)I2C配置接口模塊(通過EP2C35進行模擬配置)通過I2C總線對SAA7113進行初始化配置，選擇產生的數字視頻格式等。
(4)圖像幀存控制模塊用來讀／寫系統兩片幀存儲器，并且可以在它們之間進行讀／寫切換操作。
(5)圖像低級處理模塊從幀存中讀取一幀圖像數據，對其進行底層大量運算的圖像預處理，如噪聲消除、邊緣檢測等，最后將處理完的圖像數據經通信模塊送至后端DSP處理器做進一步操作。此外由于采用基于SDRAM工藝的FPGA芯片，所以還需要配置電路在上電時對FPGA進行配置。
系統上電時，FPGA首先從外部配置芯片中讀取配置數據，通過AS主動串行方式完成自身的程序加載，進入工作模式狀態。隨后I2C配置接口模塊完成對SAA7113的初始化，初始化結束后，FPGA等待采集圖像的命令。FPGA收到采集命令后，啟動采集視頻數據模塊、異步FIFO模塊和視頻解碼模塊進行解碼，將數據輪換寫到兩個幀存中，供圖像低級處理模塊處理、經DSP對圖像做進一步處理，然后由通信模塊送往工控PC。

2 系統中內存管理和圖像低級處理技術
2．1 SDRAM控制實現及仿真
視頻轉換芯片輸出的視頻圖像數據通過8位總線VPO傳輸給FPGA，FPGA需要將數據保存到SDRAM中，SDRAM在讀寫上有嚴格的時序要求。SDRAM的命令由RAS_n，CAS_n，WE_n和LOAD_mode構成，分別表示行選擇、列選擇、讀／寫控制和寄存器配置控制。在該系統中，設計了SDRAM(基于FPGA)接口模塊，該模塊控制SDRAM的命令與時序。模塊內設計了初始化機制和系統指令分析機制。初始化機制不僅要完成對SDRAM的初始化配置，還要完成對控制器的初始化配置，從而使控制器與外部SDRAM的工作模式一致。為了實現高效的SDRAM存取，提高SDRAM總線的利用率，SDRAM接口模塊CLK采用133 MHz的高速時鐘，當得到數據存取模塊的讀FIFO要求后．向SDRAM連續寫入16個字；當得到PC接口模塊的讀SDRAM請求后讀出1個字；其他時間保證SDRAM進行刷新工作，以免數據丟失。從該硬件設汁平臺可以看出，系統中的SDRAM分別由PFGA和DSP控制。當DSP和FPGA完成對相應SDRAM的操作后，需要進行總線切換。總線切換后，DSP和FPGA開始對另一塊SDRAM進行相應操作。