随着“工业4.0”和“中国制造2025”的提出,机器视觉慢慢走入了人们的视野,在机器视觉应用系统中,图像采集模块起着重要作用,它采集的图像的质量对后续的处理与决策模块会有很大影响,同时图像采集模块中的成像装置与采集卡的好坏也会对采集的图像质量有影响。近年来随着科学技术的进步以及工业生产领域的需要,对工业相机的性能提出了更高的要求。基于此,本论文研究设计了基于USB3.0接口的超高分辨率高速工业相机。本论文研究的工业相机内容包含图像采集、图像处理与图像传输三大部分。在图像采集方面,本论文分析了现有CMOS图像传感器传输接口发展现状,选用了四款Sony公司的CMOS图像传感器IMX178、IMX334、IMX342和IMX571用作图像采集的前端,其数据传输接口分别为LVDS接口、MIPICSI-2接口、SLVS接口和SLVS-EC接口。本论文针对不同CMOS图像传感器传输接口的特点设计了不同的接口解析方案,进行了工业相机硬件电路设计。由于不同CMOS图像传感器传输接口的传输协议及电气特性不同,所以主控FPGA芯片也不尽相同,其中LVDS接口和SLVS接口使用Xilinx Artix-7系列FPGA芯片做解析和处理。MIPI CSI-2接口使用的是Lattice Crosslink系列的FPGA芯片做解析,解析完成之后使用Xilinx Artix-7系列FPGA芯片做处理。SLVS-EC接口使用的是Microsemi PolarFire系列的FPGA芯片做解析与处理。在图像处理方面,本论文利用FPGA并行处理的优势,在FPGA上实现了硬件ISP,具体包括去马赛克、自动白平衡、颜色矩阵校正和伽马校正四个处理流程。为了使图像传输时不会出现丢帧的现象,设计了帧缓存模块,选用了容量为4Gbit的DDR3芯片做外部缓存,可以支持在图像数据传输时缓存8张图像,使图像传输更加稳定。由于需要在Xilinx FPGA和Microsemi FPGA上都实现DDR3帧缓存,所以本论文还对两个FPGA芯片上的DDR3读写时序进行了详细分析。在图像传输方面,本论文选用了技术较成熟、传输速率较快的USB3.0接口进行图像数据传输。在分析了 USB3.0传输协议后,针对工业相机图像数据的传输特点,选用块传输的方式进行传输。最后,选择将CYUSB3014配置为同步Slave FIFO模式,在FPGA内通过异步FIFO实现FPGA与CYUSB3014的数据高速传输。最后对基于这四款CMOS图像传感器的工业相机进行了详细的系统仿真和调试,仿真和调试结果符合预期。之后进行了系统测试,测试过程包括在4ms曝光条件下的四款工业相机传输帧率、DDR3缓存测试和工业相机拍摄测试。给出了最终四种图像传感器样机拍摄的细胞切片图,细胞结构纹理清晰。综合测试结果表明,所开发的四款工业相机可以很好地应用到工业图像系统中。