近年来,图像传感器朝着高分辨率、高帧率的方向发展,因此对获取和存储图像的采集系统提出了更高的要求。现有图像采集系统大多是基于计算机的图像采集卡,此类系统体积大,携带不便。针对以上问题,本文设计并实现一款便携式高速图像采集系统,并完成系统的功能测试与性能测试。本系统采用基于ARMv8架构的进阶精简指令集处理器(Advanced RISC Machine,ARM)芯片作为主处理器,ARM芯片具有强大的运算和外设接口扩展能力,用于实现图像的接收、显示与存储;采用现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)作为协处理器,强大的并行处理能力能够处理高速图像信号,其内部集成的高速IO管脚可对图像输入接口进行灵活化定制。本文具体工作内容如下。1.提出系统整体设计方案,包括系统硬件与软件的设计方案。通过对不同的图像采集系统设计架构进行比较,综合考量功耗、性能与可扩展性等,最终采用优势明显的ARM+FPGA架构作为本系统设计架构。结合设计目的与设计架构提出具体的功能要求与技术指标,据此对系统主要器件进行选型。在进行具体功能模块设计之前,对系统总体的设计方案进行规划。硬件设计依照可靠性设计原则搭建出稳定、高效的硬件平台。软件设计遵循高内聚低耦合的模块化设计思想,对系统功能模块进行清晰地划分,设计出逻辑合理、功能完善的软件总体框架。2.设计图像采集系统软件,包括接口驱动、数据传输协议、嵌入式软件与上位机软件。结合系统设计方案与图像数据量较大的特点,采用USB3.0接口作为FPGA与ARM之间的数据接口,并在此基础上设计上层数据传输协议。该协议有效地解决了系统不能自适应不同分辨率相机的问题,同时兼顾系统适应性与传输效率。根据系统对外设接口的使用需求,设计接口驱动,包括用于按键的通用输入/输出(General Purpose Input Output,GPIO)驱动和用于图像数据传输的USB3.0驱动。根据软件设计方案,设计嵌入式软件,实现系统各模块的功能。同时,设计一套简单实用的上位机软件,用于系统控制和数据导出。3.针对ARMv8架构的特点与Linux内存管理机制,对系统数据传输进行加速,并且在系统功耗、图像显示效果方面对系统进行优化。通过分析系统中数据流向,并测试各环节带宽限制,最终找出系统数据传输的速度瓶颈。据此提出一种基于单指令多数据流(Single Instruction Multiple Data,SIMD)指令架构的数据拷贝加速方法,提高系统数据拷贝速度。利用中央处理器频率调节(Central Processing Unit frequency,CPUFreq)技术动态调节处理器频率,达到优化功耗的目的。针对系统使用场景中高位红外图像显示效果不佳的问题,提出一种基于色调映射的高位红外图像映射算法,将红外图像映射为伪彩色图像进行显示,从而改善高位红外图像的显示效果。4.围绕功能要求与技术指标,制定完善的测试方案,完成系统的功能和性能测试,同时验证系统加速与优化是否有改善效果。最后对系统整机测试,确保系统能够稳定的运行。大量测试结果表明,本文研制的图像采集系统能够实现图像数据的采集、存储、显示、回放以及外设管理等功能,采集带宽达到150MB/s,工作温度范围为-40℃到65℃。系统具有易携带、可靠性高、功耗低、对相机适配范围广等优点,达到了设计预期效果。