基于Zynq的智能相机前端系统的研究

智能相机是机器视觉领域的研究热点之一，它集图像采集、处理、分析、传输等功 能于一体，小型化、分布式、网络化等特点使其在不同行业有着广泛的应用前景。论文 重点研究了基于Zynq平台智能相机的前端图像采集系统,探讨了CCD片内数据流传输 模型、图像采集系统电路、CCD驱动逻辑IP核、图像采集模式、CCD性能参数评估等 关键技术及其实现方法，主要工作包括: 在深入分析Zynq平台特性的基础上规划了基于该平台的智能相机的总体架构，完 成图像采集、核心处理控制、以太网通信、显示、外部存储等主要功能模块的划分，建 立了CCD片内数据流传输模，并采用XSVI总线作为通用内部数据传输接口。 针对ICX618图像传感器，设计了相应的CCD驱动外围、AD采样转换、CCD驱动 电源等核心电路模块，采用CXD1267AN进行CCD三级驱动电平转换，AD9949进行 图像信号数模转换和部分控制信号驱动。以实现驱动和采集模式的通用多功能性为目标 采用有限状态机描述图像采集驱动的复杂逻辑，通过Verilog硬件描述语言实现具有多 模块复杂协同特点的IP核开发，主要功能模块包括:CCD曝光、电荷读出、转移、检 测等不 智能相机是一种融合了图像采集、处理、分析和传输等功能的集成设备，因其小型化、分布式和网络化的特性，在机器视觉领域备受关注，尤其在工业自动化、安全监控、医疗诊断等多个行业有着广泛的应用。本研究主要关注基于Zynq平台的智能相机前端图像采集系统的构建与优化。 Zynq平台是由Xilinx公司推出的可编程系统芯片（System on Chip, SoC），集成了ARM处理器和FPGA逻辑资源，为智能相机提供了高效能和灵活的计算能力。论文首先对Zynq平台进行了深入分析，基于其特性规划了智能相机的整体架构，包括图像采集、核心处理控制、以太网通信、显示和外部存储等功能模块。其中，图像采集模块是关键，它涉及CCD片内数据流传输模型的建立，以及图像采集系统电路的设计。 在硬件层面，论文探讨了CCD驱动逻辑IP核的开发，这是连接CCD图像传感器与系统其它部分的关键。对于特定的ICX618图像传感器，设计了包括CCD驱动外围、模拟数字（AD）采样转换和驱动电源在内的核心电路模块。采用CXD1267AN进行CCD的电平转换，确保信号的准确传递，同时利用AD9949进行图像信号的数模转换和控制信号驱动，以支持多种驱动和采集模式。 为了实现复杂的图像采集逻辑，论文采用了有限状态机（Finite State Machine, FSM）来描述驱动过程，通过Verilog硬件描述语言实现了多模块协同的IP核。这些模块包括CCD的不同操作阶段，如曝光、电荷读出、转移和检测的驱动时序，以及AD寄存器的SPI配置协议和XSVI总线作为内部数据传输接口。此外，论文还设计了用于处理彩色Bayer阵列的双线性插值恢复逻辑，以恢复全彩图像。 在实际系统开发中，完成了智能相机图像采集前端系统的样机，能够支持内/外触发、单帧/连续采集以及彩色/黑白成像等多种图像采集模式。通过对驱动信号的完整性分析和CCD性能参数（如暗电流噪声、响应度和动态范围）的全面评估，验证了系统性能。在初步应用测试中，例如光学圆标记点检测，采集系统表现出良好的图像质量和功能实现，满足了智能相机的预期需求。 该研究对基于Zynq平台的智能相机前端系统进行了深入探索，尤其是在图像采集的关键技术上取得了重要进展。这些成果不仅有助于提升智能相机的性能，也为未来智能相机系统的设计提供了理论基础和技术参考。