基于fpga的實時視頻處理實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，F(xiàn)PGA芯片通過JTAG接口連接USB轉(zhuǎn)換器與PC機(jī)連接來完成基于FPGA的實時視頻處理的設(shè)計，攝像頭插座插接CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭與FPGA相連，F(xiàn)PGA芯片通過視頻DA芯片與VGA接口插座相連，F(xiàn)PGA實驗板采用兩個SDRAM分別完成視頻處理前的幀緩存功能和視頻處理后的幀緩存功能。本裝置將傳統(tǒng)和創(chuàng)新有機(jī)結(jié)合，能夠滿足靈活、多樣的實時視頻處理的實驗需求，由于采集端和顯示端都采用獨立的幀緩存，大大減小實時視頻處理模塊與系統(tǒng)整體的耦合性，學(xué)生無需對前端采集模塊和終端顯示模塊做任何改變，就可對實時視頻的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而完成利用FPGA對實時視頻進(jìn)行處理的各種實驗，為學(xué)生創(chuàng)新能力和思維的培養(yǎng)及訓(xùn)練提供合適環(huán)境。
【專利說明】基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型屬于數(shù)字邏輯及EDA【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，是一種能夠讓學(xué)生自主設(shè)計、探索和創(chuàng)新的開放式實驗裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]教學(xué)實驗設(shè)備與教學(xué)內(nèi)容密切相關(guān)，數(shù)字邏輯是計算機(jī)及電子信息相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，具有很強(qiáng)的實踐性，要求學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，具備較強(qiáng)的實際操作和動手能力。數(shù)字邏輯層是構(gòu)成計算機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)，處于最底層，數(shù)字邏輯電路的設(shè)計方法和實現(xiàn)手段跟邏輯器件的發(fā)展關(guān)系密切。隨著集成電路技術(shù)和工藝的快速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的實現(xiàn)由中小規(guī)模集成電路互連逐漸發(fā)展為以超大規(guī)模集成電路(如FPGA/CPLD等)為器件的方式，各高校在數(shù)字邏輯的教學(xué)方面也相應(yīng)地將以中小規(guī)模集成電路設(shè)計為主的傳統(tǒng)設(shè)計和分析方法的教學(xué)，改變?yōu)橐詡鹘y(tǒng)方法為主，同時輔之以先進(jìn)的電子設(shè)計自動化EDA技術(shù)，加強(qiáng)基于FPGA(現(xiàn)成可編程門陣列)及HDL(硬件描述語言)的數(shù)字邏輯電路設(shè)計和實現(xiàn)方法的教學(xué)。數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，是計算機(jī)及電子信息相關(guān)專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，同樣具有很強(qiáng)的實踐性，要求學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，具備較強(qiáng)的實際操作和動手能力。
[0003]FPGA性能優(yōu)越，資源豐富，采用并行處理方式，在實時視頻處理應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢，利用FPGA來對數(shù)字圖像進(jìn)行硬件處理已經(jīng)成為一個新的發(fā)展趨勢。但是由于教學(xué)條件的限制，有關(guān)EDA的教學(xué)和實驗往往不能得以貫徹，而傳統(tǒng)的數(shù)字邏輯實驗設(shè)備大多以中小規(guī)模集成電路的應(yīng)用為主，有關(guān)實時視頻處理應(yīng)用的實驗在傳統(tǒng)實驗設(shè)備上不能得到很好的體現(xiàn)，限制了學(xué)生的實驗方法和手段，不利于學(xué)生對新技術(shù)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的發(fā)揮。
[0004]近年來，越來越多的高校在數(shù)字邏輯的教學(xué)方面引入EDA的思想，利用FPGA和HDL進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的設(shè)計和驗證，在實驗設(shè)備方面也引入了基于FPGA的實驗平臺，但是這些平臺只是單純的采用EDA技術(shù)進(jìn)行邏輯設(shè)計，不能完成實時視頻處理應(yīng)用的相關(guān)實驗，少有采購到一些視頻處理的實驗裝置也往往是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對使用者要求較高，價格昂貴，很難在高校普及開來，不利于高校培養(yǎng)實時視頻處理領(lǐng)域的實用型人才。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型要解決的技術(shù)問題是:針對目前各高校采用的數(shù)字邏輯及EDA實驗設(shè)備體重大、數(shù)量少，功能單一、實驗手段單一，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)等不足，提供一種基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，不僅支持教師課堂進(jìn)行實驗教學(xué)演示，而且支持學(xué)生靈活選擇實驗場地、實驗內(nèi)容及實驗手段，同時滿足移動性、創(chuàng)新性實驗要求，開拓學(xué)生的創(chuàng)造思維，鍛煉學(xué)生的實際動手能力。
[0006]本實用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0007]基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，由FPGA實驗板、CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭、VGA顯示器及擴(kuò)展小板構(gòu)成，F(xiàn)PGA實驗板包括JTAG接口及FLASH芯片、VGA接口插座、攝像頭插座、時鐘芯片、FPGA芯片、兩個同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM以及兩個擴(kuò)展插座、LED模塊、按鍵模塊、電源及開關(guān)模塊；其特征在于=CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭與攝像頭插座相連，攝像頭插座通過PCB導(dǎo)線將數(shù)字視頻信號送到FPGA芯片，且CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的電源與FPGA實驗板電源形成回路；VGA顯示器與VGA接口插座相連，VGA接口插座內(nèi)的視頻DA芯片通過PCB導(dǎo)線與FPGA芯片相連，F(xiàn)PGA芯片通過VGA接口插座連接VGA顯示器，實現(xiàn)視頻顯示；FPGA芯片通過FLASH芯片存儲設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過JTAG接口下載設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過兩個SDRAM分別完成視頻信號處理前和視頻信號處理后的幀緩存，F(xiàn)PGA芯片通過兩個擴(kuò)展插座將多余的信號引出；擴(kuò)展小板通過兩個擴(kuò)展插座與FPGA實驗板相連，并與FPGA實驗板電源形成回路。
[0008]所述的擴(kuò)展小板為UART接口小板、PS/2接口小板、SD卡接口小板中一種或二種以上組合而成。
[0009]本實用新型采用兩個幀緩存，分別緩存視頻信號處理前和視頻信號處理后的幀；兩個幀緩存由兩個SDRAM模塊獨立完成，互不干涉。
[0010]本實用新型的特點具有體積小、重量輕，方便攜帶，既方便教師隨課堂進(jìn)行實驗演示教學(xué)，也方便學(xué)生靈活選擇實驗地點，不受實驗時間和空間的制約，更加適合學(xué)生的創(chuàng)新實踐；實驗結(jié)構(gòu)簡潔、成本較低，滿足學(xué)生人手一套的要求，有利于學(xué)生靈活自由地完成實驗項目。
[0011]FPGA實驗板上的擴(kuò)展插座連接擴(kuò)展小板或外圍電路即可采用EDA技術(shù)實現(xiàn)基于FPGA的邏輯電路的設(shè)計和實現(xiàn)。這種方法只需連接少量外圍插線，在PC機(jī)上運行EDA軟件，采用HDL或者原理圖進(jìn)行電路的設(shè)計輸入，通過綜合、仿真、下載驗證等過程實現(xiàn)邏輯電路的設(shè)計。學(xué)生通過修改程序進(jìn)行電路的修改，通過修改配置文件進(jìn)行FPGA的重新配置，在一片F(xiàn)PGA上可以實現(xiàn)多種邏輯電路的功能，極大地發(fā)揮了學(xué)生的自主設(shè)計和創(chuàng)新思維。
[0012]該實驗裝置不僅為學(xué)生提供了數(shù)字邏輯課程學(xué)習(xí)的實驗環(huán)境，也為學(xué)生提供了利用數(shù)字邏輯技術(shù)對實時視頻處理的實驗環(huán)境。
[0013]本實用新型不僅滿足基本的課程實驗及創(chuàng)新實驗要求，更重要的是它可以作為學(xué)生進(jìn)一步完成數(shù)字圖像處理、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計的實驗平臺。
[0014]本實用新型具有通用性，滿足傳統(tǒng)EDA邏輯設(shè)計實驗要求和實時視頻處理實驗要求，將傳統(tǒng)數(shù)邏設(shè)計和視頻處理領(lǐng)域有機(jī)結(jié)合，滿足基本實驗及創(chuàng)新實驗的不同要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型整體結(jié)構(gòu)框圖。

【具體實施方式】
[0016]結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的描述。
[0017]如圖1所示，本實用新型基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，由FPGA實驗板、CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭、VGA顯示器及擴(kuò)展小板構(gòu)成，其特征在于:FPGA實驗板包括JTAG接口及FLASH芯片、VGA接口插座、攝像頭插座、時鐘芯片、FPGA芯片、兩個同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM以及兩個擴(kuò)展插座、LED模塊、按鍵模塊、電源及開關(guān)模塊；其特征在于=CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭與攝像頭插座相連，攝像頭插座通過PCB導(dǎo)線將數(shù)字視頻信號送到FPGA芯片，且CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的電源與FPGA實驗板電源形成回路；VGA顯示器與VGA接口插座相連，VGA接口插座內(nèi)的視頻DA芯片通過PCB導(dǎo)線與FPGA芯片相連，F(xiàn)PGA芯片通過VGA接口插座連接VGA顯示器，實現(xiàn)視頻顯示；FPGA芯片通過FLASH芯片存儲設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過JTAG接口下載設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過兩個SDRAM分別完成視頻信號處理前和視頻信號處理后的幀緩存，F(xiàn)PGA芯片通過兩個擴(kuò)展插座將多余的信號引出；擴(kuò)展小板通過兩個擴(kuò)展插座與FPGA實驗板相連，并與FPGA實驗板電源形成回路。所述的擴(kuò)展小板為UART接口小板、PS/2接口小板、SD卡接口小板中一種或二種以上組合而成。
[0018]實驗時，用5V直流穩(wěn)壓電源和USB接口給FPGA實驗板供電，將擴(kuò)展小板與擴(kuò)展插座連接，將CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭與攝像頭插座連接，將VGA顯示器與VGA接口插座連接，通過JTAG接口連接USB轉(zhuǎn)換器與PC機(jī)連接，采用EDA軟件進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計輸入、綜合、仿真，并通過JTAG接口下載至FPGA芯片進(jìn)行設(shè)計驗證，從而完成基于FPGA的實時視頻處理的實驗。
【權(quán)利要求】
1.基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，由FPGA實驗板、CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭、VGA顯示器及擴(kuò)展小板構(gòu)成，F(xiàn)PGA實驗板包括JTAG接口及FLASH芯片、VGA接口插座、攝像頭插座、時鐘芯片、FPGA芯片、兩個同步動態(tài)隨機(jī)存儲器SDRAM以及兩個擴(kuò)展插座、LED模塊、按鍵模塊、電源及開關(guān)模塊；其特征在于=CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭與攝像頭插座相連，攝像頭插座通過PCB導(dǎo)線將數(shù)字視頻信號送到FPGA芯片，且CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭的電源與FPGA實驗板電源形成回路；VGA顯示器與VGA接口插座相連，VGA接口插座內(nèi)的視頻DA芯片通過PCB導(dǎo)線與FPGA芯片相連；FPGA芯片通過FLASH芯片存儲設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過JTAG接口下載設(shè)計代碼，F(xiàn)PGA芯片通過兩個SDRAM分別完成視頻信號處理前和視頻信號處理后的幀緩存，F(xiàn)PGA芯片通過兩個擴(kuò)展插座將多余的信號引出；擴(kuò)展小板通過兩個擴(kuò)展插座與FPGA實驗板相連，并與FPGA實驗板電源形成回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的實時視頻處理實驗裝置，其特征在于:所述的擴(kuò)展小板為UART接口小板、PS/2接口小板、SD卡接口小板中一種或二種以上組合而成。
【文檔編號】G09B23/18GK203982652SQ201420328960
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】汪紅, 張歡, 田莎莎, 劉科, 王文濤 申請人:中南民族大學(xué)