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基于CPLD的高速视频信号桥接系统设计与实现

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 双传感器视频接口桥接

1.1.2 高速视频信号采集与桥接

1.2 国内外研究现状

1.2.1 双传感器视频接口桥接技术

1.2.2 高速视频信号桥接技术

1.3 本文主要研究内容

1.4 本文的结构安排

第2章 双传感器视频接口桥接子系统设计

2.1 子系统方案设计

2.2 MIPICSI接口及数据输出格式简介

2.2.1 CSI-2物理层电气接口与协议简介

2.2.2 IMX214数据输出格式

2.3.1 CSI-2数据解串化

2.3.2 降频模块

2.4 双路视频帧同步模块设计

2.4.1 首帧状态检测

2.4.2 数据缓存模块

2.4.3 输出同步逻辑设计

2.5 双路视频合并模块设计

2.6 资源使用报告

2.7 本章小结

第3章 高速视频采集与桥接子系统设计

3.1 子系统方案设计

3.2 LVDS接口及数据输出格式简介

3.2.1 LVDS接口简介

3.2.2 Python1300数据输出格式

3.3 双通道高速串行LVDS信号解串器设计

3.3.1 系统时钟方案

3.3.2 LVDS单通道接收解码模块

3.3.3 对齐控制模块

3.4.1 帧匹配控制模块

3.4.2 数据格式化输出

3.5 图像裁剪模块设计

3.5.1 图像裁剪模块的实现

3.5.2 面积与速度互换原则

3.6 多路视频同步模块设计

3.7 资源使用报告

3.8 本章小结

第4章 系统硬件设计与实现

4.1 系统硬件总体设计方案

4.1.1 系统电路需求分析

4.1.2 桥接芯片选择

4.1.3 硬件总体设计方案

4.2 系统原理图设计

4.2.1 系统电源模块电路

4.2.2 启动与复位模块电路

4.2.3 图像采集模块电路

4.2.4 图像输出模块

4.3 PCB设计

4.3.1 结构相关设计

4.3.2 关键信号设计

4.4 硬件调试与可靠性分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果

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摘要

随着半导体技术和制造工艺的发展以及人们对高清晰度视频的追求,传统的图像传感器接口逐渐由并行接口转换为诸如CSI、LVDS等高速差分串行接口,进而导致传感器与处理器之间视频接口类型不匹配问题逐渐变得突出,原始视频的数据量与处理器ISP处理能力不匹配问题也亟待解决。
  针对上述问题,本文提出一种基于可编程逻辑器件的视频桥接方案。除了实现串行接口到并行接口的转换之外,更侧重于实现以下两方面:一方面实现单个ISP支持两个图像传感器,最大化发挥处理器ISP的处理能力;另一方面实现单路超高分辨率视频向多路较低分辨率视频的转换,解决单个ISP无法处理超高分辨率视频的问题。上述桥接系统旨在为具有低带宽并行视频接口的处理器提供更多解决方案。本文的主要工作和成果如下:
  (1)调研CMOS图像传感器接口的发展现状,对本课题涉及到的视频接口桥接方案的研究现状进行分析,并对选用的桥接芯片做了可行性分析及逻辑资源评估。
  (2)以双目深度相机为具体应用案例,验证双传感器视频桥接设计的正确性,主要包括CSI-2串并转换、双目同步及合并模块。设计降频模块,解决了传感器与处理器传输速率不匹配问题。实验结果表明,本方案实现双路视频的同步传输,使具有单个ISP和并行接口的处理器同时支持两路串行视频信号,充分发挥处理器ISP处理两路视频的能力。
  (3)以Python1300为具体应用案例,设计了双通道高速串行LVDS信号解串器,恢复原始视频数据的并行化传输;采用图像裁剪的方法,分块抽取像素,实现单路高分辨率视频转到双路小帧视频同步传输,解决了在高速视频采集过程中,处理器ISP处理能力与视频数据量不匹配的问题。仿真实验结果表明,该方案可扩展至超高分辨率视频采集。
  (4)选用Lattice MachXO2平台,实现上述视频桥接系统的硬件整体方案设计。分析并完成了系统电源、图像采集、图像输出等硬件模块设计,绘制高速数字电路板并完成电路板的调试。对系统各模块的测试表明,系统可以稳定可靠的运行。

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