基于FPGA的线阵CCD图像测量系统研究

论文摘要

图像测量系统以电子设备来感知客观环境的图像特征并加以利用从而实现检测、控制等目的。多数应用领域都要求图像测量系统以非接触测量方式在较高的精度下以尽量快的速度完成一系列处理过程。传统电机测速方法通常是基于单片机或者工控机平台等的软件串行工作方式并采用编码器、光栅、霍尔元件等实现,在高速高精度应用要求下其性能往往受限很多。当前利用CCD (Charge Coupled Device电耦合器件)技术进行高速高精度的实时非接触测量逐步成为现实并取得了较好的效果。此外,FPGA (Field Programmable Gate Array现场可编程门阵列)作为目前应用最为广泛的可编程逻辑器件之一,它基于硬件并行处理技术,运算速度快,配置灵活易用,非常适宜于作为图像测量系统的处理核心。本课题以直流无刷电机测速为研究对象,将线阵CCD和FPGA结合使用从而实现电机测速的目的,同时达到了精确性和实时性上的要求。课题在电机测速需求分析的基础上重点研究了线阵CCD的驱动、CCD信号的CDS (Correlated Double Sampling相关双采样)处理和AD (Analog to Digital模拟数字)转换以及FPGA实现FIFO (First In First Out先入先出)存储及FFT(Fast Fourier Transformation快速傅立叶变换)运算等功能,软件方面着重分析了自相关测速算法的原理及其FPGA硬件实现,结合系统对实时性的要求,改进了FFT计算处理方式,采用Verilog HDL硬件描述语言编写各驱动时钟信号及芯片配置程序,在ALTERA综合开发平台Quartus II下进行编译、仿真并下载到FPGA芯片中。最后搭建了光学实验平台,经过与编码器测速方式的对比实验,验证了本课题所设计的电机测速硬件平台系统及相关算法程序工作稳定可靠,具有良好的实时性和精确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图清单
• 表格清单
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 课题研究相关对象介绍
• 1.2.1 图像测量技术介绍
• 1.2.2 CCD器件的发展与应用
• 1.2.3 FPGA的发展状况与应用
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 线阵CCD图像测量系统总体方案
• 2.1 CCD图像测量系统的组成和工作过程
• 2.2 CCD介绍与选型
• 2.2.1 CCD工作原理
• 2.2.2 CCD性能参数概述
• 2.2.3 线阵CCD选型
• 2.2.4 TCD1209D介绍
• 2.3 FPGA介绍及选择
• 2.3.1 FPGA结构简析
• 2.3.2 EP2C35介绍
• 2.4 ADC选择及介绍
• 2.4.1 ADC选型原则
• 2.4.2 AD9945介绍
• 2.5 系统工作流程
• 2.6 QuartusⅡ开发平台及Verilog HDL语言介绍
• 2.7 本章小结
• 第3章 线阵CCD图像测量系统软硬件设计
• 3.1 TCD1209D驱动时序电路设计
• 3.1.1 TCD1209D驱动时序分析
• 3.1.2 线阵CCD驱动电路板设计
• 3.1.3 基于Verilog HDL语言的线阵CCD驱动时序设计
• 3.2 A/D转换过程与电路设计
• 3.2.1 AD9945寄存器配置及驱动时序分析
• 3.2.2 AD9945电路板硬件设计
• 3.3 基于FPGA的FIFO工作方式介绍
• 3.3.1 FPGA电路板介绍
• 3.3.2 FIFO介绍
• 3.3.3 FPGA内部FIFO建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 线阵CCD图像测量算法及FPGA实现
• 4.1 基于自相关算法的图像测量技术原理
• 4.1.1 自相关测速方法的理论依据
• 4.1.2 相关函数的FFT运算法
• 4.2 高速FFT算法硬件实现及优化
• 4.2.1 高速FFT算法介绍
• 4.2.2 高速FFT优化算法的FPGA实现
• 4.3 高精度测速方法优化设计
• 4.4 图像测量算法整体实现
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统整体调试与实验
• 5.1 电路板软硬件调试
• 5.2 实验验证
• 5.2.1 有效性验证
• 5.2.2 对比验证
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文