摘要：本文主要介紹在視頻監(jiān)控板中多路視頻信號(hào)輸入情況下的數(shù)據(jù)緩存、信號(hào)格式轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，并用Altera的Cyclone器件實(shí)現(xiàn)的整個(gè)過程。包括簡單介紹視頻監(jiān)控器電路板的原理，此轉(zhuǎn)接邏輯在系統(tǒng)中的作用和地位，并詳細(xì)介紹了此邏輯用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程。

    隨著科技的日新月異，視頻監(jiān)控市場也得到了飛速發(fā)展。視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場合。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，以及計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)以及圖象處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長足的發(fā)展。視頻監(jiān)控已經(jīng)滲透到教育、政府、娛樂場所、醫(yī)院、酒店、運(yùn)動(dòng)場館、城市治安等多種領(lǐng)域，視頻監(jiān)控服務(wù)器被稱為繼手機(jī)以后另外一個(gè)極具市場開發(fā)前景的消費(fèi)電子產(chǎn)品。

    數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)器主要完成從攝像頭獲取的模擬信號(hào)到數(shù)字化壓縮后送到網(wǎng)絡(luò)的功能，其原理框圖如圖1所示。

圖1　數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)器原理框圖 

    由圖1所示，監(jiān)控器電路板主要由A/D芯片，F(xiàn)PGA多路轉(zhuǎn)接芯片，壓縮芯片，CPU等組成。其中本文要介紹的多路轉(zhuǎn)接邏輯的FPGA實(shí)現(xiàn)位于A/D芯片和壓縮芯片之間，由于FPGA內(nèi)部含有PLL模塊，所以跟FPGA連接的TW2804芯片的27MHz輸入時(shí)鐘可以由FPGA產(chǎn)生。

     這里選用Altera的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，其內(nèi)部有90k的存儲(chǔ)容量，6kLEBS，2個(gè)PLL，在后面的設(shè)計(jì)介紹中，將會(huì)講到整個(gè)設(shè)計(jì)用到了64k的存儲(chǔ)容量，1個(gè)PLL，大約4—5k左右的LEBS，所以選用此低成本的FPGA，可以完成此設(shè)計(jì)，而且基本上充分用到了內(nèi)部的大多數(shù)資源，加上此芯片的引腳有240個(gè)，能滿足外面的引腳連接，所以Altera的EP1C6Q240C8成為此邏輯設(shè)計(jì)中最佳的選擇器件。

    如圖1所示，A/D芯片接受來自四個(gè)攝像頭的四路模擬視頻信號(hào)，這里采用Techwell公司的TW2804芯片，此芯片支持四路視頻模擬信號(hào)的輸入，輸出是數(shù)字ITU-R BT.656格式的信號(hào)，時(shí)鐘是27MHz。D1、D2、D3、D4信號(hào)的時(shí)序圖如圖2所示。

圖2 ITU-R BT.656格式信號(hào)時(shí)序圖 

    其中EAV和SAV分別為行尾和行頭標(biāo)志信號(hào)，他們中間是行與行之間的空白信號(hào)，SAV后面的VALID有效時(shí)的信號(hào)為1440bytes的d1格式的有效視頻信號(hào)，總的這些信號(hào)加起來是視頻信號(hào)的一行信號(hào)，一幀視頻信號(hào)包括576行這樣的行信號(hào)，也就是有效的這種格式的一幀輸出視頻信號(hào)為1440*576bytes的信號(hào)，由于每一行信號(hào)中由兩個(gè)bytes來表示一個(gè)像素，所以這種d1格式一幀的像素為720*576分辨率。

    FPGA轉(zhuǎn)接邏輯要實(shí)現(xiàn)的功能是要在顯示終端上同時(shí)顯示四路的視頻信號(hào)。也就是要顯示如圖3所示的視頻信號(hào)。

    由于要在一個(gè)顯示終端上同時(shí)顯示四路信號(hào)，所以原來每一路信號(hào)的720*576分辨率要轉(zhuǎn)換為原來1/4的分辨率，即cif的格式，cif格式是352*288的分辨率，這樣四路cif格式的信號(hào)組合成如圖3所示的一個(gè)幀輸出到終端顯示出來。

    因?yàn)樵诮K端顯示上是要求四路視頻信號(hào)同步輸出的，也就是不允許出現(xiàn)其中一路信號(hào)已經(jīng)在顯示器上顯示出來了，但另外一路信號(hào)還沒有顯示出來，也就是出現(xiàn)畫面上一部分是黑屏的情況，所以在這種情況下，需要把四路不同的視頻信號(hào)先用FPGA在SDRAM中緩存起來，當(dāng)每一路信號(hào)都在SDRAM中都至少存滿一幀時(shí)就可以同步讀出，并通過FPGA內(nèi)部緩存組成如圖3所示的幀格式，然后輸出給壓縮芯片壓縮后由處理器控制輸出至網(wǎng)絡(luò)，這里的壓縮芯片選的是VWEB公司的VW2010。

圖3 顯示終端視頻信號(hào)格式 

     至此，F(xiàn)PGA要實(shí)現(xiàn)的功能已經(jīng)非常清晰，首先把輸入的四路d1格式的信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成四路cif格式的信號(hào)，然后把這四路信號(hào)分別緩存在SDRAM中，當(dāng)SDRAM中每一路信號(hào)都至少存滿一幀時(shí)，同步讀出，讀出SDRAM到FPGA中后，經(jīng)過格式的重新組合，最后組成如圖3所示的信號(hào)格式輸出。其中數(shù)據(jù)在SDRAM中的緩存控制是最重要也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。下面詳細(xì)介紹此FPGA的邏輯設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

    由上面的介紹可知，此FPGA主要有三方面的接口，與TW2804的輸入接口，與SDRAM的緩存接口，與VW2010的輸出接口。所以FPGA的內(nèi)部邏輯大致可以設(shè)計(jì)為如圖4所示。

圖4 FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖 

    輸入格式轉(zhuǎn)換模塊主要是完成四路信號(hào)從d1到cif格式的轉(zhuǎn)換，即從原來的720*576像素的分辨率轉(zhuǎn)換為352*288像素的分辨率。其轉(zhuǎn)換過程是把一幀中偶數(shù)行的數(shù)據(jù)全部去掉，每一行中按像素的順序一個(gè)隔一個(gè)的去掉，最后保留的數(shù)據(jù)就是原來1/4的數(shù)據(jù)。這個(gè)過程比較簡單，通過設(shè)計(jì)兩個(gè)行列計(jì)數(shù)器就能實(shí)現(xiàn)。其仿真圖如圖5所示。

圖5 d1到cif格式轉(zhuǎn)換的簡單仿真示意圖 

     圖5所示為在奇數(shù)行時(shí)數(shù)據(jù)一個(gè)空一個(gè)的有效，在一行讀完后，下一行就都設(shè)為無效。

    接下來是內(nèi)部輸入緩沖模塊，此模塊用來控制與SDRAM控制相連接和進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存控制的模塊。其內(nèi)部邏輯圖如圖6所示。

圖6 FPGA內(nèi)部緩沖與內(nèi)部SDRAM控制器的連接邏輯圖

    下面給出對(duì)此次設(shè)計(jì)以后可以擴(kuò)展和改進(jìn)的功能。

    首先，因?yàn)檫@是四路的多路轉(zhuǎn)換緩沖，所以直接把它們固定組合起來送至網(wǎng)絡(luò)顯示終端。如果需要支持更多路的視頻信號(hào)輸入進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換，例如輸入信號(hào)是8路或16路，那么送入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候就有一個(gè)組合的問題，即在顯示器上四幅圖像最終顯示視頻輸入的哪四幅。這在實(shí)際情況下也是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，例如在某個(gè)建筑物中安裝了8個(gè)攝像頭，在白天的情況下可能要監(jiān)視樓道內(nèi)的情況，而到晚上可能要監(jiān)視樓外門口的情況，這就需要在FPGA中進(jìn)行一個(gè)選擇，所以，此時(shí)可以在FPGA中加入一個(gè)I2C從模塊，通過此模塊可以與處理器通信，在FPGA中設(shè)置一些寄存器，通過由I2C送來的不同的寄存器配置指令，就可以實(shí)現(xiàn)顯示器上圖像的實(shí)時(shí)切換。

    其次，由于Cyclone系列的產(chǎn)品存儲(chǔ)容量比較有限，如果要增加到16路這樣的規(guī)模，輸入輸出緩沖的存儲(chǔ)容量必將不夠，所以此時(shí)可以考慮用Cyclone2系列的產(chǎn)品。

    另外，如果以后要完成路數(shù)比較多的轉(zhuǎn)接，可以在監(jiān)控器板上多加幾塊TW2804和VW2010芯片,這樣就需要FPGA的輸入輸出引腳要足夠多,而EP1C6Q240C8這樣的FPGA芯片有240個(gè)引腳,足夠擴(kuò)展需要。

    總之，在這樣的轉(zhuǎn)接邏輯中用到Altera的Cyclone系列低成本的FPGA產(chǎn)品，充分利用了其現(xiàn)有的內(nèi)部資源，而且價(jià)格也是非常的易于接受，是非常理想的選擇。

    本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目是作者年初在龍芯產(chǎn)業(yè)化研發(fā)中心作客座研究生時(shí)獨(dú)立負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的，其中此次視頻監(jiān)控器的CPU用的是龍芯2號(hào)，此轉(zhuǎn)接邏輯已成功設(shè)計(jì)完成。