CN207067733U - 一种基于fpga与arm的同步图像采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，属于图像处理与采集技术领域。本系统包括：光学镜头，CCD信号采集模块，CCD时序驱动电路，A/D采样模块等部件；光学镜头与CCD信号采集模块相连，再连接A/D采样模块，最后与FPGA芯片连接，FPGA连接CCD时序驱动电路,对CCD信号采集模块进行驱动，GPS模块与LCD显示模块分别与FPGA和ARM相连接，ARM再与上位机相连接。FPGA外设添加一片SRAM作为FPGA的扩展RAM用,ARM外设配合4片DDR3保证数据的吞吐能力。数据最终存储在一片eMMC保证了节点站可以满足长时间大量数据的存储要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，属于图像处理与采集技术领域。
背景技术
随着当今社会的快速发展和进步，人们的时间观念越来越强，因此对时间的要求就会越来越高，尤其是要提高系统的工作效率，以及获取信息的精准性。随着图像处理技术的发展，基于图像信息的测量技术在工业、航空等领域广泛应用例如随着对海洋竞争的加剧，美国科学家提出了数字海洋的理念，它利用现有的技术对海洋的各种数据进行测量和处理，通过对获取的各种信息进行分析研究完成对海洋的驾驭，要求高精度同步采集多路摄像机拍摄的高清图像，进行信息提取和测量分析。测量对采集记录设备的一个关键技术指标是：图像具有高精度的时间同步性。
近年来，GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）以其高精度、全天候、全天时的特点，在定位、导航、测距、授时遥感等领域广泛应用，并得到了快速的发展。对于在低功耗、高便携性和高性能设备上实现GPS数据采集和分析技术也显得越发重要并迅速的应用到各个领域。CCD应用技术已成为集光学、电子学精密机械与计算机技术一体的综合技术，在现代光学、光电检测技术和现代检测技术领域中硕果累累,但现有技术中还没有将GPS技术、CCD应用技术结合到图像处理应用中。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，利用现场可编程门阵列（FPGA）作为主控器，FPGA将接收来自 A/D采样模块采集到的图像数据与本地GPS芯片采集到的时间戳进行数据合并,ARM嵌入式系统对合并后数据进行实时分析与存储，在PC端对各节点设备数据进行汇总并根据时间戳对齐，最终得到同步后的分布式图像数据,实现了远距离、大范围地球物理同步节点的图像数据采集。
本实用新型采用的技术方案是：一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，包括光学镜头，CCD信号采集模块，CCD时序驱动电路，A/D采样模块，FPGA芯片，SRAM，EPCS，GPS模块，ARM芯片，LCD显示模块，DDR3，eMMC,上位机；光学镜头与CCD信号采集模块相连，CCD信号采集模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与FPGA芯片连接，CCD信号采集模块的输入端与CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端与FPGA芯片连接，FPGA芯片同时与 GPS模块、EPCS、ARM芯片连接，FPGA芯片外设添加一片SRAM作为FPGA的扩展RAM用, ARM再与上位机相连接, ARM芯片与LCD显示模块、DDR3 、eMMC连接，ARM芯片外设配合4片 DDR3 保证数据的吞吐能力,数据最终存储在一片 eMMC，保证了节点站可以满足长时间大量数据的存储要求。
所述的CCD信号采集模块采用的CCD芯片为 ICX098BQ。
所述的A/D采样模块采用的A/D芯片为 AD9842。
所述的FPGA芯片为 Cyclone V EP5CEBA4F17C。
所述的ARM芯片为具有低功耗性能优化ARM Cortex-A9 的ARM Exynos 4412 。
所述的SRAM为容量为的8 MB异步SRAM,为FPGA芯片提供共性能的外围储存RAM，所述的SRAM设计使用双RAM乒乓缓存采集到的数据，所述的乒乓缓冲结构相当于一个双口的RAM。
所述的GPS模块采用GARMIN公司的GPS OEM板，型号为GPS15XL-W，所述的GPS模块通过天线接收多颗卫星传来的定位及时间数据，通过串口将数据送出，并产生PPS秒脉冲。
所述的DDR3选用四片256MByte的DDR3为ARM提供充足的缓存空间。
本实用新型的工作原理是：每个采集节点设备配有单独的电池供电，摆脱电缆的限制，CCD应用技术结合GPS时钟同步技术，FPGA芯片将接收来自A/D采样模块采集到的数据与本地GPS模块采集到的时间戳进行数据合并，ARM芯片嵌入式系统对合并后数据进行实时分析与存储，在上位机对各节点设备数据进行汇总并根据时间戳对齐，最终得到同步后的分布式图像数据，实现了远距离、大范围的同步节点的数据采集。在采集数据后插入GPS模块精准授时的时间戳存储在设备内的存储器中，存储器可以持续的数据采集。
本实用新型的有益效果为：数据采集过程当不受传输电缆长度的限制、能够实时处理和保存数据、时钟同步。
附图说明
图1为本使用新型的系统结构示意图；
图2为本使用新型的数据处理逻辑流程图示意图；
图3为本使用新型的双RAM乒乓缓存结构示意图；
图4为本使用新型的程序设计流程示意图；
图5为本使用新型的对齐数据流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图何具体实施方式，对本实用新型作进一步地说明。
实施例1：如图1-5所示，一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，包括光学镜头，CCD信号采集模块，CCD时序驱动电路，A/D采样模块，FPGA芯片，SRAM（静态随机存储器，所述的SRAM设计使用双RAM乒乓缓存采集到的数据），EPCS（串行存储器,FPGA配置数据和NiosII程序都存放在EPCS器件中），GPS模块，ARM芯片，LCD显示模块，DDR3（DDR3是一种计算机内存规格。它属于SDRAM家族的内存产品，提供了相较于DDR2 SDRAM更高的运行效能与更低的电压，是DDR2 SDRAM(四倍资料率同步动态随机存取内存)的后继者(增加至八倍)，也是现时流行的内存产品规格），eMMC（Embedded Multi Media Card ,为MMC协会所订立的、主要是针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格）,上位机；光学镜头与CCD信号采集模块相连，CCD信号采集模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与FPGA芯片连接，CCD信号采集模块的输入端与CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端与FPGA芯片连接，FPGA芯片通过CCD时序驱动电路,对CCD信号采集模块进行驱动，FPGA芯片同时与 GPS模块、EPCS、ARM芯片连接，FPGA芯片外设添加一片SRAM作为FPGA的扩展RAM用, ARM再与上位机相连接, ARM芯片与LCD显示模块、DDR3 、eMMC 连接，ARM芯片外设配合4片 DDR3 保证数据的吞吐能力,数据最终存储在一片 eMMC，保证了节点站可以满足长时间大量数据的存储要求。
进一步地，所述的CCD信号采集模块采用的CCD芯片为 ICX098BQ。
进一步地，所述的A/D采样模块采用的A/D芯片为 AD9842。
进一步地，所述的FPGA芯片为 Cyclone V EP5CEBA4F17C。
进一步地，所述的ARM芯片为具有低功耗性能优化ARM Cortex-A9 的ARM Exynos4412 。
所述的SRAM为容量为的8 MB异步SRAM,为FPGA芯片提供共性能的外围储存RAM，所述的SRAM设计使用双RAM乒乓缓存采集到的数据，所述的乒乓缓冲结构相当于一个双口的RAM 。
所述的GPS模块采用GARMIN公司的GPS OEM板，型号为GPS15XL-W，所述的GPS模块通过天线接收多颗卫星传来的定位及时间数据，通过串口将数据送出，并产生PPS秒脉冲。
所述的DDR3选用四片256MByte的DDR3为ARM提供充足的缓存空间。
本实用新型中节点站由12V的蓄电池供电，以现场可编程门阵列（FPGA）和ARM分别作数据采集及数据打包部分和采集数据的处理与分析保存部分的核心，所述的GPS模块通过天线接收多颗卫星传来的定位及时间数据，通过串口将数据送出，并产生PPS秒脉冲。
本实用新型中所采集到数据的处理逻辑流程图如图2所示，FPGA芯片控制ADC进行数据采集与传输，同时FPGA芯片通过串口模块采集GPS模块的数据帧，数据帧缓存在FPGA芯片中的FIFO中，当一帧数据采集完毕之后整体发送给后级处理，GPS的授时脉冲信号PPS每1s产生一个脉冲信号，数据汇总模块对3种信号的采集并赋予每一种信号特定的数据帧以标识当中不同的信号类型，最后把3种信号加装协议头并合并后乒乓发送给两个RAM中，最后保证数据不间断、集中发送给RAM接口。
其中所述的ADC即为A/D采样模块，所述的FIFO为FPGA芯片里的一个模块。
本实用新型中所述的数据汇总模块对A/D采样模块与GPS的数据采集模块采集的数据进行统一格式的数据帧宽展，对三种不同的数据帧赋予不同的数据帧头并打包成数据包发送后级处理模块。数据汇总模块通过一个状态寄存器查看上一次ADC数据采集间隔内GPS的数据帧是否发送完毕，如FIFO中已经接收一帧完整的GPS数据帧或PPS脉冲信号，则加装协议帧头并附着在ADC数据帧后。为节省ARM操作系统的中断处理资源，设计使用双RAM乒乓缓存采集到的数据。
本实用新型中所述的SRAM采用的双RAM乒乓缓存结构如图3所示，乒乓缓存结构相当于一个双口的RAM。从上级模块打包后的输入数据不断的进入RAM1，当RAM1写满时，立即切换到RAM2并且地址从0开始，RAM1读使能在输出控制器的控制下数据持续输出直到数据读完，RAM1与RAM2交替读写，达到流水线式对数据的持续读写，如图4所示。并且对一次性输出一整块的数据给嵌入式操作系统进行处理，节省系统的中断次数，减少了系统的处理资源。
本实用新型的ARM芯片中采用Linux嵌入式系统对FPGA采集的信号进行分析，形成采集节点的同步数据文件，Linux嵌入式系统的程序设计流程如图4所示, ARM芯片处理器通过上文FPGA芯片发送的数据流进行数据帧解析并判断为哪一种数据帧，经过处理之后存储为文本格式保存。在保存之后需要对其进行有效波形信号的筛选，当中筛选出的所有的有效波形段重新组成新的文件。在所有的设备采集完成之后，需要对所有设备的有效波形文件进行组合，组合合并时以PPS的信号为时间基准点，根据 GPS的UTC时间把每组有效波形数据段进行对齐处理并合并为一个拥有所有节点的同步采集数据文件。
本实用新型的对齐数据流程如图5所示，本实用新型要求在野外长期进行采集任务，同时需要多个结点设备在不同的地点进行采集任务，每个节点设备在完成一次长时间的采集以后都会保存一个原始的数据文件，而每一个数据文件都是独立探测的。在完成采集任务后的原始数据并不能直接分析，需要把每个设备的原始数据文件转换成有效的波形数据文件，然后通过合并相GPS的时间信息的有效波形文件，组成一个完整的数据矩阵。通过数据矩阵分析出所采集地点的信息。根据第一个节点设备所采集到的GPS时间信息，寻找其他设备中有效波形文件中相同时间的有效波形序列，找出相同PPS标志的位置，然后以PPS的位置为基准对齐所有的数据组，使各个组在本期时间下的波形序列都以PPS为基准点，最后组成一个时间对齐连续的波形矩阵，如图5所示。通过合并对齐之后波形矩阵并添加相应的地理位置及时间信息保存为分布式同步采集文件。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于:包括光学镜头，CCD信号采集模块，CCD时序驱动电路，A/D采样模块，FPGA芯片，SRAM，EPCS，GPS模块，ARM芯片，LCD显示模块，DDR3，eMMC,上位机；光学镜头与CCD信号采集模块相连，CCD信号采集模块的输出端与A/D采样模块的输入端连接，A/D采样模块的输出端与FPGA芯片连接，CCD信号采集模块的输入端与CCD时序驱动电路的输出端连接，CCD时序驱动电路的输入端与FPGA芯片连接，FPGA芯片同时与 GPS模块、EPCS、ARM芯片连接，FPGA芯片外设添加一片SRAM作为FPGA的扩展RAM用, ARM再与上位机相连接, ARM芯片与LCD显示模块、DDR3 、eMMC 连接，ARM芯片外设配合4片 DDR3 保证数据的吞吐能力,数据最终存储在一片 eMMC，保证了节点站可以满足长时间大量数据的存储要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的CCD信号采集模块采用的CCD芯片为 ICX098BQ。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的A/D采样模块采用的A/D芯片为 AD9842。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的FPGA芯片为 Cyclone V EP5CEBA4F17C。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的ARM芯片为具有低功耗性能优化ARM Cortex-A9 的ARM Exynos 4412 。
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的SRAM为容量为的8 MB异步SRAM,为FPGA芯片提供共性能的外围储存RAM，所述的SRAM设计使用双RAM乒乓缓存采集到的数据，所述的乒乓缓冲结构相当于一个双口的RAM 。
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的GPS模块采用GARMIN公司的GPS OEM板，型号为GPS15XL-W，所述的GPS模块通过天线接收多颗卫星传来的定位及时间数据，通过串口将数据送出，并产生PPS秒脉冲。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA与ARM的同步图像采集系统，其特征在于：所述的DDR3选用四片256MByte的DDR3为ARM提供充足的缓存空间。
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