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1、硕 士 学 位 论 文 题 目： 基于FPGA的立体成像系统的研究学 位 申 请 人： 张 迪 学 号： 2008021362院 系： 物理与电信工程学院 专 业： 电路与系统 导师姓名职称： 周卫星 副教授 时 间： 2011 年 5 月基于FPGA的立体成像系统的研究专 业 名称：电路与系统申请人姓名：张迪导 师 姓名：周卫星摘 要三维立体成像是人们多年以来研究的一项技术，随着时代的发展，各种应用层出不穷，不同的科技产品也随之产生，衍生出不同的立体成像产品，手机，显示器，数码相机，游戏，掌上电脑，平板电脑等。立体成像也可以解决现实当中的很多问题，广泛的应用于图像识别，医疗，教育，军事个领域
2、，并且有较好的经济效益，可以用来商业推广。近几年，整个3D成像的产品得到了快速增长，但是各种产品或多或少的存在些某瓶颈，因此在消费者当中认可度也不一致，不同的产品还有待更加的完善。个人可以根据需要来选择自己需要的3D产品，很多跨国公司也相继进入这个产业，例如苹果，三星等,推出各种满足消费者视觉体验的一些产品。3D技术的成功缘自于科技的不断创新，而3D整个产业也将迎来历史性的机遇。对于中国的技术发展前景来看，3D技术是产品设计、人才储备、市场管理等各个方面的新课题。3D技术的成熟不仅可以带动产品价值提升，同时为我国电影国际化和文化产业振兴奠定了基础。立体成像的技术有很多种，主要分为两大类 ，无镜
3、式和眼镜式，各种方式的成像原理各不相同，个有其特点。本文利用现有的硬件平台来实现立体成图像，整个实现过程主要包括图象采集，图象处理以及图象显示几大块。主要有如下几大工作：(1) 根据成像的方法来确定系统的硬件组成，硬件主要由两大块组成，多媒体开发板和双摄像头数码相机开发套课件来组成。(2) 编辑硬件描述语言来实现FPGA部分的各个功能模块，主要用到开发板当中的CyclonII系列的FPGA,以及SDRAM存储器，ADV7123转换芯片，配置摄像头的参数，完成图象存储，显示。完成了色差法和快没法两种立体成像。简答的概括一下色差法为分离两种不同原色的图像，快门法为交替显示图像来实现效果。(3) 通
4、过仿真来检测系统的可靠性，进一部确定设计要求。关键词： 立体成像， FPGA， 3D， 色差法 ，快门法The Research of Three-dimensional imaging system Based On FPGAMayor: Circuit & SystemName: Zhang DiSupervisor: Weixing ZhouAbstractThree-dimensional imaging is one of a technical research for many years, with the development of the times, endless v
5、ariety of applications, different technology products also will be produced, derived from a different three-dimensional imaging products, mobile phones, monitors, digital cameras, games, Handheld computers, tablet computers. Realistic three-dimensional imaging can solve many problems which are widel
6、y used in image recognition, medical care, education, military one area, and there are good economic efficiency, can be used to commercial promotion.Since the success of 3D technology innovation in science and technology, and 3D the whole industry will usher in a historic opportunity. For the outloo
7、k of Chinas technology, 3D technology is the product design, talent pool, market management and other aspects of the new topics. 3D technology has matured to enhance the value not only to promote products, as well as Chinas film industry, international and cultural revitalization of the foundation.I
8、n recent years, the 3D imaging products has been rapid growth, but the existence of a variety of products more or less of a bottleneck, and therefore also inconsistent recognition among consumers, different products have yet to be even more perfect.Individuals as needed to choose their 3D products,
9、many multinational companies have also entered the industry, such as Apple, Samsung, the introduction of a variety of visual experience to meet a number of consumer products.Three-dimensional imaging techniques There are many, mainly divided into two categories, no mirror and glasses style, various
10、forms of different imaging principle, one has its own characteristics.By using existing hardware platform to achieve three-dimensional images into the entire implementation process including image acquisition, image processing and image display chunks. There are several main tasks:(1) According to t
11、he imaging method to determine the systems hardware components, hardware consists of two blocks, multimedia development board and dual cameras digital camera development to form sets of courseware. (2) Edit FPGA hardware description language to achieve some of the various function modules, main boar
12、ds use among CyclonII series FPGA, and SDRAM memory, ADV7123 conversion chip, the configuration parameters of the camera to complete the image storage and display. Completed the two color method and the fast three-dimensional imaging can not. Answer the summary of what color method for the separatio
13、n of two different colors of the image, the shutter law to achieve the effect of alternating images. (3)simulation to test the reliability of the system, into an established design requirements.Key words: three-dimensional imaging, FPGA, 3D, color difference method, the shutter method目 录第一章 绪 论21.1课
14、题的背景及意义21.2立体成像的发展状况31.3课题研究的主要内容31.4本论文的内容安排4第二章 立体成像的方法52.1立体视觉的原理52.2立体视觉的方法62.2.1 裸眼式3D技术62.2.2眼镜式3D技术82.2.3 其他3D技术11第三章 主要硬件电路133.1DC2的介绍133.2DE2多媒体开发板的介绍15第四章 总体方案与FPGA设计204.1开发环境介绍204.2系统的总体结构204.3 FPGA各功能模块224.3.1 部分电路结构介绍234.3.2 II2C接口模块264.3.3 CMOS图像捕获模块294.3.4 格式转换模块304.3.5 VGA的控制器324.3.6
15、 SDRAM控制器模块36第五章 调试与测试50第六章 结束语521 第一章 绪 论1.1 课题的背景及意义图像是人们获取信息的最基本得来源，而立体图像在各个领域都有很重要的意义，比如说医疗，军事，电子信息，教育，娱乐等领域， 传统的显示设备大多数只能显示二维信息，不能给人一种有深度的立体感。 1838年惠斯登（Wheatstone）发明了立体镜，使人们看到了深度景观并发现了双眼视差，从而揭开了双眼的奥秘，从此开拓了一个崭新的空间视觉研究领域，立体相片从此应运而生1。真实世界中的景物都是三维的，人眼通过观察能够获得三维立体感。3D的整个产业链很长，其中包括影视节目、广告内容等、互联网服务、包括
16、硬件制造厂商，列入光学仪器，机顶盒，3D电视，游戏厂商都将获得巨大的市场利益和发展空间。3D技术发展已成为产业升级及自主创新的驱动力，涉足3D内容与服务产业将不但具有长远的战略意义，同时还可能改变行业模式准则，在经济发展和社会进步中起到不可估量的作用。 目前的3D技术可以分为裸眼式2和眼镜式两大类别，裸眼式3D技术目前主要应用在商用显示方面（以后还将应用于手机等显示设备中）；眼镜式3D技术则集中于消费级市场3，此次风靡全球的影片阿凡达采用的全部是眼镜式3D技术。如果细分的话，眼镜式3D技术可分为色差式、快门式和偏光式三种，而裸眼式3D技术可分为透镜阵列、屏障栅栏和指向光源三种，每种技术的原理和
17、成像效果都有一定的差别。随着技术的进步，纵观3D显示技术已成功应用到了数字显示领域，3D显示技术和普通消费者的距离已经越来越近了；在三星和优派均推出游戏性3D显示器后，人们可以将3D显示器搬到卧室内，而不用和其他人一起挤在电影院中观看。凭借着身临其境的立体画面，3D显示器对高端游戏玩家而言拥有极大的吸引力。除了针对个人用户外，3D显示器同样适合于商用以及科研，如分子结构模型展示、军事目标、文物艺术品展示、会展、大企业形象展示等各领域发挥其独特的作用。而作为新起之秀的裸眼3D显示技术必将青出于蓝而胜于蓝，未来裸眼3D显示技术发展前景不可限量！相信随着3D显示技术进一步成熟，我们今后会在生活的各个
18、领域中看到3D显示设备的身影。出显示器外，手机，PDA等各种设备也将运用到3D技术4 5。1.2 立体成像的发展状况3D产品也已被各大厂商作为液晶技术之后的最新研究方向。欧盟已投入700亿欧元用于3D显示研究，主要由飞利浦主导的ATTEST联盟进行研发。日韩厂商多采用柱状透镜技术。韩国三星电子和LG Display主要朝公用显示器方向发展，三星发布了52英寸、9视点3D显示器。LG Display则推出42英寸、25视点产品，甚至高达30个视点数的试验品。韩国还提出了到2010年实现大多数显示产品和记录设备与3D1格式转换的计划。 而我国台湾地区的厂商多采用视差障壁技术，华映已推出4视点面板，
19、包括从15.4英寸至37英寸的各种产品，友达则开发了5视点的24英寸3D显示面板。在国内，TCL推出了8视点的3D显示器（电视），它采用了柱状透镜技术。立体成像技术将向众多领域普及。但是在发展过程中也将遇到很多现实的问题，比如从2D到3D的显示技术6，有很多标准不兼容，不同消费者对3D产品的认可度相差很大，立体图像所占的容量大，教难存储等一系列问题。1.3 课题研究的主要内容本论文硬件系统是由DE2的多媒体开发平台和友晶公司的双摄像头数码相机开发套件（DC2）以及一台液晶显示器所组成，两个摄像头用来完成对图像的采集，DE2的开发板用来对采集的2路图像信号进行存储和处理，最后通过显示器来显示。D
20、E2开发板当中用到的Altera公司的Cyclone2芯片来进行配置，以及SDRAM（8MB）用来对图像进行存储和读写,A/D转换芯片，最后在输出图像通过VGA接口输出。本文用两种方式来实现了立体成像，一种是色差法，通过双摄像头数码相机开发套件采集了两路图像信号，配置FPGA的芯片来对图像进行处理， FPGA中的模块包括 II2C接口模块的配置，主要来完成对摄像头曝光时间，灰色度，分辨率，调整增益的配置， CIS输出格式，CMOS传感器捕获模块，该模块通过三个同步信号来完成对图像的捕获，接着分别分离出红，蓝两种不同颜色的图像，存储在SDRAM控制器当中，通过一个VGA控制器来完成对两路视频的读
21、写，最后在同一个显示器当中显示，然后通过佩戴红蓝颜色的眼镜来看显示的图像，这样来得到一个立体的效果。另外一种是快门法，同理也是采集了两路图像信号，其他的模块配置与色差法一致吗，不同的是在FPGA当中配置一个乒乓模块7，SDRAM存储器分出两块存储区域来分别存储两路图像，交替的切换两路图像信号，在显示器当中显示。1.4 本论文的内容安排本论文分为 个部分，下面对各部分做一个简单的概括。第一部分，介绍本课题国内外的发展概况和相关文献，立体成像技术的发展情况以及本论文的主要设计内容。第二部分，介绍现在的一些立体成像的主要方法第三部分，介绍整个系统的组成，以及各个部分的平台，主要是DE2，和双镜头开发
22、套件。第四部分，主要说的是整个设计方案和FPGA各个部分模块的设计内容。第五部分，主要对系统的一个调试和验证，对整个论文的总结和展望。2 第二章 立体成像的方法2.1立体视觉的原理立体影像的基本原理是视差8，主要是双目视差，人的双眼相距约6.5cm9，两只眼睛同时观察物体时， 左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，左右眼视网膜上所成的像不同，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后、远近，从而产生立体视觉。这就是视差创造立体。行成立体视觉的3个条件10：（1）需要左右眼两路影像。（2）两路影像是不同的，具有正确的视差。（3）左右眼的影像要完全分离，左影像进左眼，右影像进右眼。大
23、多数立体成像的方法根据立体视觉形成的条件来实现的。图2-1视网膜视差示意图如图2-1所示。对于不在两眼视界上的点，它们的视差的大小和正负是对应于点的位置的函数，视差值越大，说明点离两眼视界越远，视差值为负，表明点位于眼睛与两眼视界之间，例如B点；反之，视差值为正，表明点位于两个眼睛视界以外，例如C点。负视差通常称为会聚视差，因为眼睛必须会聚焦这些点，而正视差被称为分散视差，因为眼睛必须分散以聚焦这些点。2.2立体视觉的方法立体成像的方法有很多种，但是大致可以分为两大类。立体3D技术分为无镜式（裸眼式）11技术和眼镜式12技术。如图所示：图 3D立体显示技术分类框图2.2.1 裸眼式3D技术裸眼
24、式3D技术大致可分为光屏障技术、柱状透镜技术和指向光源技术3种。光屏障式3D技术也被称为视差屏障或视差障栅技术，其原理和偏振式3D较为类似，是由夏普欧洲实验室的工程师十余年的研究成功。光屏障式3D产品与既有的 LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势，但采用此种技术的产品影像分辨率和亮度会下降。光屏障式3D技术的实现方法是使用一个开关液晶屏、偏振膜和高分子液晶层，利用液晶层和偏振膜制造出一系列方向为90的垂直条纹。这些条纹宽几十微米，通过它们的光就形成了垂直的细条栅模式，称之为“视差障壁”。而该技术正是利用了安置在背光模块及LCD面板间的视差障壁，在立体显 示模式下，应该由左眼看到的图
25、像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡右眼；同理，应该由右眼看到的图像显示在液晶屏上时，不透明的条纹会遮挡左眼，通过 将左眼和右眼的可视画面分开，使观者看到3D影像。优点：与既有的LCD液晶工艺兼容，因此在量产性和成本上较具优势。缺点：画面亮度低，分辨率会随着显示器在同一时间播出影像的增加呈反比降低。柱状透镜(Lenticular Lens)技术17也被称为双凸透镜或微柱透镜3D技术，其最大的优势便是其亮度不会受到影响。柱状透镜3D技术的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透 镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，这样在每个柱透镜下面的图像的像素被分成几个子像素，这样透镜就能以不同的方向投影
26、每个子像素。于是双眼从不同的角度观看显示屏，就看到不同的子像素。不过像素间的间隙也会被放大，因此不能简单地叠加子像素。让柱透镜与像素列不是平行的，而是成一定的角度。这样就 可以使每一组子像素重复投射视区，而不是只投射一组视差图像。之所以它的亮度不会受到影响，是因为柱状透镜不会阻挡背光，因此画面亮度能够得到很好地保障。不过由于它的3D显示基本原理仍与视差障壁技术有异曲同工之处，所以分辨率仍是一个比较难解决的问题。图2-2 所示为柱状透镜技术成像示意图。优点：3D技术显示效果更好，亮度不受到影响。缺点：相关制造与现有LCD液晶工艺不兼容，需要投资新的设备和生产线。图2-2 柱状透镜技术成像示意图对
27、指向光源(Directional Backlight)3D技术投入较大精力的主要是3M公司，指向光源(Directional Backlight)3D技术搭配两组LED，配合快速反应的LCD面板和驱动方法，让3D内容以排序(sequential)方式进入观看者的左右眼互 换影像产生视差，进而让人眼感受到3D三维效果。前不久，3M公司刚刚展示了其研发成功的3D 光学膜，该产品的面试实现了无需佩戴 3D 眼镜，就可以在手机，游戏机及其他手持设备中显示真正的三维立体影像，极大地增强了基于移动设备的交流和互动。图2-3 所示为指向光源3D技术示意图。优点：分辨率、透光率方面能保证，不会影响既有的设计架
28、构，3D显示效果出色。缺点：技术尚在开发，产品不成熟。图2-3 指向光源3D技术示意图几种显示的特点如下：类型柱透镜视差挡板光源照明光学器件柱透镜光电视差挡板光电线光源图像显示器件TFT,LCD,PDPTFT,LCD,PDPPDP位置前置，后置前置后置表 几种显示的特点2.2.2 眼镜式3D技术眼镜式3D技术大致可以分为色差式、快门式、偏光式 。色差式的原理，将两张不同视角上拍摄的影像分别以两种不同的颜色在同一平面显示，如果不戴眼镜，我们只能看到色彩重合的模糊图像。但是戴上眼镜后，左右眼不同颜色的镜片分别过滤了对应的色彩，只有红色的影像通过红色镜片蓝色通过蓝色镜片，最终两只眼睛看到的不同影像在
29、人脑中重叠产生了立体效果。 图2-4 为色差法成像红蓝3D眼镜。该方法成像原理比较简单，眼镜成本较低，应用比较广泛。另外还可以通过红绿眼镜来观看成像效果，原理则是一样，只不过通过两个眼镜的光不是红蓝两种光线，而是红绿两种颜色。但是红绿成像的效果不如红蓝成像的好，这主要是因为人眼对三原色亮度的信息量不同。图2-4 色差法成像红蓝3D眼镜 快门式又称为时分法3D技术，这种方法能够保持图像原来的分辨率，主要是通过人眼对影像频率的刷新时间来实现的，交替左眼和右眼看到的图象以至于你的大脑将两幅图像融合成一体，产生了单幅图像的3D立体感。这种方法对图像的刷新频率有一定的要求，如果低于120HZ频率的话（即
30、左右两眼为60HZ左右），视觉上有很明显的闪速感，图2-5为快门法成像原理示意图。图2-5 快门法成像原理示意图 快门法的成像眼镜为有源眼镜（即它有电源可以切换两个镜片），该眼镜价格比较贵，而且对显示器的分辨率要求比较高。图2-6快门法有源成像眼镜。可以通过电影图2-6快门法的有源成像眼镜偏光式3D也叫偏振式3D技术，属于被动式3D技术，眼镜价格也较为便宜，目前3D电影院、3D液晶电视等大多采用的是偏光式3D技术。偏光式3D技术是将3D画面通过显示器上的偏光层分解为左、右两个独立的画面，再通过偏光式3D眼镜将画面分别输送给用户的左、右眼。由于不需要镜片一开一合，自然也用不着充电电池和信号接收器
31、，最大的优点是没有闪烁感，也不需要电力驱动3D眼镜，这样大大降低了3D眼镜的制造成本。另一方面，由于偏光式3D眼镜的镜片始终保持敞开状态，可以容许更多的光线通过，所以能够为用户展现无重影、更明亮的3D影像上是将3D画面通过显示器上的偏光层分解为左、右两个独立的画面。目前AOC和LG推出相关产品，由于价格相对低廉，是普通消费者的理想选择。它的缺点也同样存在，第一，偏光式3D显示器采用分光法，偏光技术会使画面分辨率减半，“不闪”很难实现真正的全高清3D影像；第二，观看者的视角较窄，当用户在超过三十度的水平视角上观看，3D效果大打折扣。图2-7为偏光法成像眼镜。图2-7偏光法的成像眼镜2.2.3 其
32、他3D技术反射式全息显示图像将物体置于全息板的右侧，相干点光源从左方照射全息板。将直接照射至全息板平面上的光作为参考光；而将透过全息板（未经处理过的全息板是透明的）的光射向物体，再由物体反射回全息板的光作为物光，两束光干涉后便形成全息显示图像。由于记录时物光与参考光分别从全息板两侧入射，故全息板上的干涉条纹层大致与全息板平面平行。再现时，利用光源从左方照射全息板，全息板中的各条纹层宛如镜面一样对再现光产生出反射，在反射光中观看全息板便可在原物处观看到再现的图像。 透射式全息显示图像：透射式全息显示图像属于一种最基本的全息显示图像。记录时利用相干光照射物体，物体表面的反射光和散射光到达记录干板后
33、形成物光波；同时引入另一束参考光波（平面光波或球面光波）照射记录干板。对记录干板曝光后便可获得干涉图形，即全息显示图像。再现时，利用与参考光波相同的光波照射记录干板，人眼在透射光中观看全息板，便可在板后原物处观看到与原物完全相同的再现虚像。DFD（Depth-Fused 3D）是日本NTT根据全新的错视原理开发的景深融合型立体影像技术，其利用两片液晶显示器与half mirror，开发不需特殊眼镜就可以观赏的立体影像的技术，这种立体影像制作原理称为REAL。REAL立体影像的制作过程是先利用一般摄影机、相机、闪光灯摄影等方式拍摄影像，然后取一般摄影与闪光灯摄影拍摄影像灰色度两者的差分，再与一定
34、峰值比较藉此获得二值化（0与1的数字元元化）的影像，接着抽出所谓的近影像领域，最后再将Relief状景深添加至近影像领域内。被照物景深形状除了球体比较接近真实景深外，其它物体都会出现某种程度的差异，只要近影像与远影像两者前后关系维持正确，且景深为连续性平滑状的话，通常利用肌理描绘（Texture）作补正，就可以获得非常协调的立体影像。3 第三章 主要硬件电路 本设计整个系统是由友晶公司的130万像素的双摄像头数码相机开发套件（DC2），DE2多媒体开发平台和一台液晶显示器所组成。3.1 DC2的介绍DC2也是整个硬件系统的信号采集部分，它通过两个摄像头来采集两路图像信号。在该开发器件当中用到了
35、CMOS图像传感器，通常CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电转换，将图像转换为数字格式的数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。两者图像传感器有下面的一些区别：1. 灵敏度差异在等像素的情况下， CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。2. 成本差异CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。3.
36、功耗差异CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到1218V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC)，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平。130 万画素双摄像头数字相机套件，满足您对数字影像所有的开发需求，适用于 DE 系列板卡。软件可支持上传图文件至计算机，并储存为 BMP 档供浏览。图3-1为DC2的实物图Error! Reference source not found. 。图3-1 DC2的实物图l T
37、RDB_DC2 130 万像素子卡 l 支持暴光光时间控制 - 用户可根据外围地区的光源，调整暴光度 l 支持动态捕捉模式 l 软件支持图片上传至计算机，并可存为 BMP 档格式以供浏览 l 配备 iMagic C1M1D 相机模块 l 支持 Altera 的 DE 系列板卡及友晶 TREX C1 板卡 l Size：60*86.8 mm图3-2为CMOS传感器的电路原理图图3-2 CMOS传感器电路原理图3.2 DE2多媒体开发板的介绍DE2为整个系统的图像处理部分，也是本设计的重要设计部分。DE2开发平台是Atlera公司针对大学及研究机构推出的一款多媒体开发平台。美国最大的Wright-
38、Patterson空军研发基地公开评论Atlera DE215（包括硬件、软件、教学文件）为有史以来最好的一套多媒体FPGA开发板卡。目前，全球众多名校（例如密西根大学安埃布尔分校、麻省理工学院、乔治亚理工学院、滑铁卢大学及多伦多大学等）都将Atlera DE2平台大批用于数字逻辑、微处理器及多媒体嵌入式系统教学，众多国际大厂也都以DE2为平台来从事IC设计。国内已有150多所大学拥有DE2平台。DE2平台作为一个非常完善的FPGA及SOPC设计平台16，具有强大的多媒体特性，能够应用在广大的研究开发课题中。如下图所示：图 DE2的开发板17DE2为用户提供了丰富的外设及多媒体特性，并具有灵活
39、而可靠的外围接口设计。DE2能帮助使用者迅速理解和掌握实时多媒体工业产品设计的技巧，并提供系统设计的验证。DE2平台的设计和制造完全按照工业产品标准进行，可靠性很高16 17。1、Cyclone系列的EP2C35F672C6 FPGA，内含33 216个逻辑单元（LE）。2、主动串行（AS）配置器件EPCS16。3、板上内置用于编程调试和用户API设计的USB Blaster，支持JTAG模式和AS模式。芯片FT245B是USB接口芯片实现USB Blaster；CPLD，EPM3128用于控制JTAG模式和AS模式，可以用SW19选择配置式。4、外部存储器：512K字节SRAM；8M字节（1
40、M416）SDRAM；4M字节FLASH；SD卡接口。5、两个板上时钟源（50MHz晶振和27MHz晶振），也可以使用外部时钟。6、24位CD品质音频的编/解码器WM8371，麦克风输入插座，线路输出/输入插座。7、VGA DAC ADV7123(内含3个10位高速DAC)及VGA输出接口。8、支持NTSC和PAL制式的TV解码器ADV7181B及TV接口。9、10M/100M以太网控制器DM9000AE及网络接口。10、USB主从控制器ISP1362及接口。第二章DE2多媒体开发平台和工具11、RS232收发器MAX232及接口。12、IRDA收发器。13、PS2鼠标/键盘连接器。14、21
41、6字符的LCD模块。15、红/绿LED指示灯、拨动开关、按键、两个40脚扩展接口等。16、两个外部连接口，可以连接扩展模块，Altera公司的第三方Terasic提供一些针对DE2平台的模块。图3-2为DE2平台的结构示意图图3-3 DE2平台结构图下面对DE2平台上的硬件电路进行简单的介绍：1、USB Blaster电路与主动串行配置器件DE2平台上内置了USB Blaster电路，使用方便而且可靠，只需要用一根USB电缆将电脑和DE2平台连接起来就可以进行调试。DE2平台上的USB Blaster提供了JTAG下载与调试模式及主动串行（AS）编程模式。除此之外，DE2平台附带的DE2控制面
42、板软件通过USB Blaster与FPGA通信，可以方便地实现DE2多媒体开发平台和工具DE2的测试。EP2C35是基于RAM的可编程逻辑器件，器件掉电后，配置信息会完全丢失。FPGA可是采用多种配置方式，如使用计算机终端并通过下载电缆直接下载配置数据的方式，以及利用电路板上的微处理器从存储器空间读取配置数据的配置方式。最通用的方法是使用专用配置器件。Altera的新型串行配置器件基于高效的设计架构。Altera公司的主动串行配置器件有EPCS1、EPCS4、EPCS16和EPCS64等4种规格。DE2多媒体开发平台上的串行配置器件是EPCS16，此存储器容量大小是16777216bit。2、
43、SRAM、SDRAM、FLASH存储器及SD卡接口DE2平台提供各种常用的存储器，包括1片8M字节的SDRAM、一片512K字节的SRAM和一片4M字节的FLASH存储器。另外。通过SD卡接口，可以使用SPI模式的SD卡作为存储介质，两个40引脚的插座JP1和JP2可以配置成IDE接口使用，从而可以连接大容量的存储介质。3、按键、波段开关、LED、七段数码管DE2平台提供了4个按键，所有按键都使用了施密特触发防抖动功能，按键按下时输出低电平，释放时恢复高电平。DE2平台上有18个波段开关，用来设定电平状态。DE2平台上有9个绿色的发光二极管和18个红色的发光二极管以及9个七段数码管。4、时钟源
44、、音频编解码器、电视解码器DE2平台上提供了两个时钟源：一个由晶振Y1提供（50MHz），连接在EP2C35672C6的N2引脚上；另一个由晶振Y3提供（27MHz），连接在EP2C35672C6的D13引脚上。也可以通过外部时钟输入SMA接口J1输入时钟，这个时钟连在EP2C35672C6的P26引脚上。DE2的音频输入输出功能由Wolfson公司24位音频编解码芯片WM8731完成。WB8731的音频采样速率为896kHz可调；提供2线与3线两种与主控器连接的接口方式；支持4种音频数据模式：I2S模式、左对齐模式、右对齐模式和DSP模式；数据位可以是16位或32位。DE2平台上ADV718
45、1电视解码器是一款集成的视频解码器，总共有6路模拟输入。5、VGA DAC、以太网控制器、USB主从控制器DE2平台的Video DAC选用了Analog Device公司的ADV7123。ADV7123由三个10位高速DAC组成，最高时钟速率为240MHz，即可以达到最高240MS/s的数据吞吐率。ADC7123在100Hz的刷新率下最高分辨率为1600*1200。10M/100M以太网控制器选用DAVICOM半导体公司的DM9000A。DE2多媒体开发平台和工具集成了带有通用处理器接口的MAC和PHY，支持100Base-T和10Base-T应用，带有auto-MDIX。支持10Mb/s和
46、100Mb/s的全双工操作。DM9000A完全兼容IEEE 802.3u规范，支持IP/TCP/UDP求和校验，支持半双工模式背压数据流控。DE2平台上设计了一个USB OTG芯片ISP1362，即可将DE2作为一个USBHost使用，也可将DE2作为一个USB Device使用，这种设计在多媒体应用中非常合理。ISP1362是飞利浦公司推出的OTG解决方案系列中的产品，它在单芯片上集成了一个OTG控制器、一个高级主控制器（PSHC）和一个基于飞利浦ISP1181的外设控制器。ISP1362的OTG控制器完全兼容USB2.0及On-The-GoSupplement 1.0协议，主机和设备控制器
47、兼容USB2.0协议，并支持12Mb/s的全速传输和1.5Mb/s的低速传输。6、RS232、PS/2鼠标/键盘连接器、IRDA收发器、LCD模块DE2平台上集成了一个3线RS232串行接口，该接口可以连接鼠标和键盘。同时还集成了一个最高速率可达115.2Kb/s的红外收发器IRDA。DE2平台上有1个16*2的LCD模块，LCD模块内嵌ASCII码字库，也可以自定义字库。本设计主要用到DE2开发板当中的Cyclone芯片18，通过配置芯片来完成图像处理，SDRAM存储器，主要来完成对图像的存储，ADV7123芯片介绍，来完成对数字信号向模拟信号的转换。第四章 总体方案与FPGA设计4.1开发环境介绍1 Quartus II。Quartus是Altera公司的综合性可编程逻辑器件开发工具。支持原