论文总字数：29712字

摘 要

基于FPGA（Field Programmable Gate Array）的图像处理克服了定制电路灵活性差，无线图像传输存在的数据量过大、传输带宽受限等缺点，具备高速并行的特点，提出一种基于FPGA ZigBee的图像采集及无线数据传输方案，有效利用FPGA灵活性强的优势可以方便后续进行图像处理算法的验证工作。本文使用Xilinx公司的ISE软件进行开发，采用Verilog硬件描述语言实现接口与各功能模块的硬件化，用OV5640作为图像采集系统，采集到的图像实时存放在DDR3 SDRAM中，FPGA控制采用“乒乓操作”控制图像数据的实时写入与读出，并驱动VGA实时读出图像数据在显示器中进行显示，图像数据通过ZigBee传到上位机中，通过串口调试助手显示接收到的图像数据。

关键词：FPGA 图像采集 无线传输 ZigBee

Design of Wireless Data Acquisition System Based on FPGA

Abstract

Image processing based on FPGA (Field Programmable Gate Array) overcomes the disadvantages of poor custom circuit flexibility, large amount of data in wireless image transmission, and limited transmission bandwidth. It has the characteristics of high-speed parallelism and proposes an image based on FPGA ZigBee. The acquisition and wireless data transmission scheme can effectively utilize the advantage of FPGA flexibility to facilitate the subsequent verification of image processing algorithms. This article uses Xilinx's ISE software development, using Verilog hardware description language to achieve the hardware interface and various functional modules, using OV5640 as an image acquisition system, the captured image is stored in DDR3 SDRAM in real time, FPGA control using "ping pong operation" Control the real-time writing and reading of the image data, and drive the VGA to read the image data in real time and display it on the display. The image data is transmitted to the upper computer through ZigBee, and the received image data is displayed through the serial debugging assistant.

Keywords: FPGA; image acquisition; wireless transmission; ZigBee

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 图像采集与传输的发展现状和趋势 1

1.2.1 国内外研究发展状况 1

1.2.2 图像采集与无线数据传输的发展趋势 2

1.3 FPGA技术概况 3

1.4 课题任务 4

第二章 无线数据采集系统组成及器件选型 6

2.1 系统模块划分 6

2.2 模块器件选择方案 7

2.2.1 图像采集模块 7

2.2.2 存储模块 8

2.2.3 无线传输模块 10

第三章 控制系统设计 12

3.1 控制系统总体设计框图 12

3.2 系统各模块设计方法 13

3.2.1 OV5640上电等待模块设计 14

3.2.2 寄存器配置模块设计 16

3.2.3 图像采集模块设计 19

3.2.4 DDR3读写控制模块设计 21

3.2.5 VGA图像显示模块设计 26

3.2.6 无线数据传输模块设计 28

3.2.7 时钟复位管理模块 31

第四章 系统调试 33

4.1 硬件平台搭建 33

4.2 实验现象 34

第五章 总结与展望 36

5.1 总结 36

5.2 展望 36

参考文献 38

致谢 40

附录一 RTL原理图 41

附录二 主要程序代码 42

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

视觉，即看到自古至今是人们从世界获得信息的最重要的一种手段；图像信息，即眼见为实也是最为直接简便的一种传达信息的方式。但是，由于客观事实的诸多限制，尤其是很多人类无法直接身处和到达的领域，人类无法肉眼观察，此时使用无线视频采集系统就成为了一种可行的观测方法。

图像采集系统是完成“看”这一部分的硬件表现形式，将现实中的信息转化为图像信息，再以数据的形式传递，这是诸多需要信息的系统的前提条件，为之后所要进行的各个功能提供了初步信息，就比如这里要进行的无线传输功能。

无线网络这一划时代的发明大大改变了我们的生活，现如今可以说人们很难离开网络，它将距离无限缩短，将硕大的地球连接在一起。而无线传输正利用了这一点使得信息的传递更快速方便，虽然无线传输有干扰因素多，不稳定，带宽窄等缺点，这对系统的设计与实现带来不小的挑战，但无线通信无论在现在还是未来必将成为重点技术。

图像采集和无线传输技术的高速发展，使得最近市场上涌现了许多无线图像采集传输系统。有线系统需要大量铺设线路，这不仅浪费了大量费用，占据了空间还为日后维护增加了不少麻烦；而与之对照无线系统安装更快，更灵活，以后维护与扩展更便利，且技术的革新与发展足以弥补无线传输的传输问题。因此，无线图像采集传输系统在国防、医疗、灾害、安防等众多领域不断应用，这种模式也更符合现代人的需求，在现如今的物联网时代有着巨大的应用前景。

1.2 图像采集与传输的发展现状和趋势

1.2.1 国内外研究发展状况

计算机与硬件技术的快速发展，推动了图像采集处理技术的不断前进与成熟，其于20世纪60年代初期开始，迄今为止此项研究大概可分为四个阶段：

第一阶段，20世纪60年代——80年代中期，由于第三代集成电路计算机被成功制造，硬件方面有了保障；与此同时，快速傅里叶变换这一重要数学算法的出现使得图像处理算法更为简化，此时系统为机箱式，双屏操作，图像采集处理由此开始了它的发展之路。美国喷气与推进实验室（JPL）在此时做出了历史性工作，他们以1964年卫星发回的图片为基础，采取一系列图像处理的方法成功绘制了月球表面地图，并总结这种方法推广到其他领域。

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