基于FPGA的芯片分选实时定位系统研究

作     者：冯天桥 

作者单位：湖南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：毛征宇;彭向前

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：FPGA 硬件设计 数字逻辑设计 实时定位检测 

摘      要：目前,芯片分选设备仍采用基于PC的传统机器视觉系统来进行芯片定位检测,其性能受制于CPU固有的串行处理架构,导致芯片分选效率有很大的限制。FPGA（现场可编程门阵列）具备的并行流水线运算结构,可以将图像处理算法进行加速实现。本文提出并研制了一套基于FPGA的定位系统,提高了芯片图像的定位检测的实时性能。论文的主要研究内容如下: （1）系统硬件平台搭建:以FPGA+DDR3的模组为硬件平台的处理核心,完成了图像采集电路、HDMI驱动显示电路及千兆以太网传输电路的设计。最后,基于高速硬件电路的设计理论完成了PCB板卡的制作。 （2）实时定位系统研制:以FPGA的逻辑资源为基础,设计了基于IC总线的通讯模块,实现图像传感器的寄存器参数灵活配置;基于AXI4总线协议设计了双端口的DDR3读写控制模块,实现了图像帧的乒乓缓存功能,解决了图像的叠加显示问题;采用有限状态机构建了UDP网络传输协议栈,实现了图像数据向上位机的高速实时传输;采用异步FIFO和数据同步寄存的方法,有效的解决了信号的跨时钟域传输问题。 （3）定位检测算法研究及实现:提出了一种基于硬件逻辑的快速中值滤波算法,提高了图像平滑去噪的速度;通过对比实验分析,采用了Sobel算子进行图像的边缘检测,并将两方向Sobel算子改进为四个方向,提高了芯片边缘的检测精度;通过对芯片的特征角点迭代检测,实时解算出芯片的中心坐标。最后,通过Vivado平台完成了上述算法的设计与仿真测试,结果表明各算法模块的功能均能正确实现。 经系统最终实验测试:图像传感器输出分辨率为640*480的RGB图像,速度为每秒30帧;图像数据通过以太网的传输带宽达到了120Mb/s;本文设计的芯片定位检测算法在检测精度上相较于PC端检测平均误差仅为1.19个像素;在检测速度上,本文算法单帧处理总耗时约为14.628ms,处理延时为us级,达到了实时处理的要求,同样的处理过程在PC端Matlab软件上平均耗时约为635.44ms,该系统的检测效率明显提高。