USB2.0高速视频图像采集和处理系统的设计与实现

摘要

通用串行总线USB是一种新型的计算机通信标准,该文利用USB2.0总线接口高速高带宽的优点,开发出基于USB2.0接口的视频图像采集和处理系统,为运动图像分析打下良好的基础.该文根据开发需求,重点研究了USB2.0协议规范和相关接口芯片,并详细探讨了USB2.0接口视频图像采集和处理系统的设计过程.包括系统硬件设计、固件代码(firmware)设计、PC端应用程序以及视频图像处理算法研究和并行实现结构设计.该系统主要利用USB2.0总线作为传输通道,利用FPGA作为控制器和图像处理器,实现了视频图像的高速传输和实时处理.目前,该系统的传输速率可以达到28帧/秒,实现了图像的边缘检测和运动轮廓的提取等功能,有效解决了传统数据采集卡速度慢、处理功能简单的缺陷,满足了实际需要.同时,由于FPGA的使用,使得该系统有很好的可扩展性,可以根据不同的需要进行现场编程.

目录

文摘

英文文摘

独创性（或创新性）声明和关于论文使用授权的声明

第一章绪论

1.1图像采集与处理系统发展现状

1.2 USB2.0总线的优越性

1.3选题的目的及意义

1.4论文的内容组织

第二章USB2.0协议规范概述

2.1 USB总线电气特性

2.2 USB体系结构概述

2.2.1 USB主机和设备

2.2.2 USB物理总线拓扑结构

2.2.3 USB逻辑总线拓扑结构

2.2.4客户端软件和功能块之间的关系

2.3 USB通信流

2.4 USB数据传输类型

2.4.1控制传输

2.4.2批量传输

2.4.3中断传输

2.4.4同步传输

第三章视频图像采集系统硬件设计与实现

3.1硬件总体系统结构

3.2 USB2.0接口控制电路设计

3.2.1 Slave FIFOs接口方式

3.2.2 GPIF接口方式

3.3 I2C总线控制电路的设计

3.3.1 I2C总线的电气结构

3.3.2 I2C总线上的时钟信号

3.3.3 I2C总线时序

3.3.4对摄像头芯片进行I2C总线控制

3.4图像采集电路的设计

3.5图像存储电路的设计

3.6系统控制电路设计

3.6.1摄像头时钟信号控制模块

3.6.2 USB时钟信号控制模块

第四章视频图像采集系统软件设计

4.1固件代码设计

4.1.1EZ_USB固件程序结构框架

4.1.2固件FIF0通道(入口)

4.1.3EPx存储器

4.1.4自动输入方式

4.1.5自动输入方式的数据传输

4.2主机应用程序设计

4.2.1连接USB设备

4.2.2设备的I/0控制

4.2.3图像数据的采集、存储

4.2.4图像的显示

第五章视频图像处理算法和并行实现结构研究

5.1信号处理系统的类型与常用处理机结构

5.2基于FPGA的视频图像处理系统

5.3线性流水线结构

5.4视频图像的窗口处理算法

5.4.1 Sobel与Prewitt算子的体系结构及逻辑电路设计

5.4.2运动轮廓提取

5.5实验结果与分析

第六章结论与展望

致谢

参考文献

在读期间发表论文

附录

附录A USB2.0接口电路的原理图

附录B USB2.0接口电路的PCB图

附录C视频图像采集和处理系统实图