基于FPGA的相關測速系統

(2)Raw to RGB壓縮模塊

通過內部設置一個1 280×10 bit的FIFO，同時輸出兩行數據，通過輸入的行計數和列計數模塊的奇偶將原Byer格式的數據壓縮成RGB格式，4個點壓縮成一個點，圖像大小變成640×512。同時，通過內置的時鐘計數模塊將當前輸出的RGB所在的行列值輸出，范圍為640×512。

(3)處理流程1

M4K寫入控制器：CCD時鐘。通過當前輸入的行列坐標，確定觸發(fā)背景M4K內存模塊和模板M4K內存模塊的寫入使能。背景M4K大小設為256×256×4 bit，模板M4K大小設為32×32×4 bit。當該模塊工作時，相關模塊不工作，以防止未寫完數據就做相關處理。

M4K模塊：存放處理過的4 bit灰度數據，讀寫時鐘分開，有寫使能位。

(4)處理流程2

SdRam接口：提供兩個寫端口和兩個讀端口，可同時處理。內部連接了PLL倍頻器，將SDRam的處理速度倍增到100 MB，然后通過內部的讀寫和刷新狀態(tài)機控制讀寫。

VGA控制模塊：由I2C控制生成行同步信息，并將讀入的RGB數據通過系數處理送到解碼器輸出VGA圖像。

測速模塊：模板選擇的位置固定在圖像的正中，即第192行192列開始的32×32大小的數據，通過輸入的（X，Y）坐標和（192，192）的差值得到像素的偏移量。然后通過實際的圖像大小和距離的比例系數，乘以當前的處理頻率，得到當前的物體移動速度。

為了計算偏移量和相對位移，必須引入除法運算，而除法運算是通過許多移位寄存器和加法器構成的。運算極其耗時，且需要大量邏輯單元和查找表，對處理速度有很大影響。所以選取MegaWizard生成的除法器來減少所需的運算時間。

最后，由于實際的數據均為16進制，為了滿足顯示的10進制坐標換算的需要，設計了16進制到10進制LED顯示的轉換模塊，實現了速度的直觀顯示，如圖3所示。

綜上所述，通過模塊化設計和綜合設計，在FPGA上實現了測速需要的功能設計。

本文對攝像頭采集到的數據進行處理。選取圖像正中的256×256個像素位置作為背景區(qū)域，其中的32×32個像素作為模板選取區(qū)域，通過前后兩幀的相關得到模板在后一幀中的位移像素值。測速示意圖如圖4所示。

如果按照理想的相似三角形判斷，攝像頭可以測量的速度可以達到無限大。設背景區(qū)域長寬均為X cm，最大速度可以達到（X×(256－32)/256）/0.529 4＝1.9×0.875X cm/s，測量精度為(X/256)/0.529 4=1.9×X/256。但是由于攝像頭對光強的敏感程度和目標的實際采樣灰度受噪聲的影響，以及受安裝位置和與被測物體距離的限制，實際測量速度范圍是有限的。在測試中采用的背景大小為20 cm×20 cm，離檢測面距離30 cm左右，100 MHz工作頻率，測速的最大值可達到（20×(256－32)/256）/0.529 4=33.056 cm/s。

整個測速系統可以根據實際應用情況設定參數來調整搜索區(qū)域，具有很寬的測速范圍。相對于傳統的接觸式測速系統，克服了物體運動異常時測量出現的原理性誤差；相對于非接觸的一維測速系統，克服了測速的單一性，可以測量物體在各種運動方向上移動的速度。如果使用高性能FPGA進行多路并行的相關運算，搭配高速高分辨率的攝像頭，完全可以解決全圖互相關算法處理的計算量巨大的問題，使測速的精度和速度得到進一步提高。這種測速方式具有的一系列優(yōu)點，使其發(fā)展空間非常廣闊，可以廣泛應用到各個領域。

總之，本文研究的基于FPGA的相關測速系統，能夠實現非接觸式和高精度的測量。其中，融合了信號采集與處理、邏輯器件FPGA和互相關技術等，具有學科交叉融合的特點。在各種傳送帶、紙板、熱軋鋼板、汽車和列車等運動物體的非接觸測速上具有較大的實際應用價值，為解決非接觸式運動物體測速問題提供了技術手段。