1、引言

        視頻圖像采集是視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向發(fā)展。圖像采集系統(tǒng)在當(dāng)今工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用，如使用在遠(yuǎn)程監(jiān)控、安防、遠(yuǎn)程抄表、可視電話、工業(yè)控制、圖像模式識(shí)別、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1]。本文介紹了一種基于FPGA的圖像采集系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需要對FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的重構(gòu)[1][2]；而且采用這種設(shè)計(jì)方案 ,便于及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤,能夠有效地縮短研發(fā)時(shí)間，提高工作效率。

2、系統(tǒng)的總體框架和工作原理

        整個(gè)系統(tǒng)主要分為四個(gè)模塊：視頻解碼模塊、視頻編碼模塊、存儲(chǔ)器模塊和FPGA核心控制模塊，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

                          
                                       圖1 系統(tǒng)的總體框圖

        其中FPGA實(shí)現(xiàn)的主要功能有：視頻編解碼器件的初始化，視頻圖像的采集存儲(chǔ)以及將采集的圖像數(shù)據(jù)通過視頻編碼芯片送到監(jiān)視器上顯示。

        系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA通過FLASH中的程序?qū)ν瓿梢曨l解碼和編碼芯片的初始化配置；在接到視頻AD轉(zhuǎn)換的中斷信號(hào)后，F(xiàn)PGA將轉(zhuǎn)換的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)傳送到SRAM保存；一幀圖像轉(zhuǎn)換結(jié)束后FPGA再將SRAM中的數(shù)字圖像傳遞給視頻編碼芯片以便在監(jiān)視器上顯示，同時(shí)開始控制下一幀圖像的采集。

3、硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 AD和DA轉(zhuǎn)換模塊

        本系統(tǒng)采用的視頻編解碼芯片是ADV7181和ADV7177，下面分別介紹AD和DA轉(zhuǎn)換器件的硬件電路設(shè)計(jì)。

3.1.1 AD轉(zhuǎn)換模塊

        ADV7181系統(tǒng)是AD公司推出的一款視頻解碼芯片[3]，它具有如下特點(diǎn)： I2C總線接口，6通道模擬視頻輸入，支持NTSC、PAL、SECAM視頻制式，支持多種模擬輸入格式和多種數(shù)字輸出格式。

        本系統(tǒng)中選用其中的通道1作為PAL制CVBS視頻輸入，數(shù)據(jù)輸出可根據(jù)需要采用8位或16位的格式輸出。ADV7181與FPGA的接口電路如圖2所示。

                             圖2 ADV7181與FPGA的接口電路

        系統(tǒng)上電后通過FPGA的I2C模塊完成對ADV7181的初始化配置，其中ADC_SCLK、ADC_SDATA分別為I2C總線的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線。ADV7181正常工作后分別輸出水平同步信號(hào)ADV_HS、垂直同步信號(hào)ADV_VS、 場同步信號(hào)ADV_FIELD、中斷信號(hào)ADC_/INTRQ、ADC_LLC同步信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)信號(hào)ADC_DATA(8位或16位可配置輸出)，另外ADC_/PWRDN信號(hào)控制ADV7181是否工作于省電模式。用戶可以根據(jù)需要選擇水平、垂直和場同步信號(hào)（CCIR-601格式）或ADC¬_LLC信號(hào)（CCIR-656格式）來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與視頻輸入的同步，并利用這些同步信號(hào)控制對轉(zhuǎn)換完成的視頻數(shù)據(jù)的寫存儲(chǔ)器操作。

3.1.2 DA轉(zhuǎn)換模塊

        DA轉(zhuǎn)換采用的是AD公司的ADV7177[4]，它具有如下特點(diǎn)：I2C接口，3路模擬視頻輸出，支持多種數(shù)字輸入格式和多種模擬輸出格式，用戶可根據(jù)需要選擇使用。它的電路設(shè)計(jì)與ADV7181類似，ADV7177與FPGA的接口電路如圖3所示。

                               
                                圖3 ADV7177與FPGA的接口電路

        其中DAC_DATA為輸入數(shù)字視頻信號(hào)，DAC_/HSYNC、DAC_/VSYNC分別為水平和垂直同步信號(hào)，DAC_CLOCK2為ADV7177輸出的27M或13.5M同步時(shí)鐘( 與寄存器的配置數(shù)據(jù)有關(guān))，DAC_SCLK、DAC_SDATA為ADV7177的I2C配置總線。

3.2 FPGA核心控制模塊

        FPGA核心控制模塊采用的是ALTERA公司Cyclone II系列的EP2C20[5]，它具有較高的性價(jià)比：EP2C20最多用戶管腳數(shù)為315，四個(gè)PLL，26個(gè)嵌入式18*18乘法器，52個(gè)M4K RAM塊，186752個(gè)邏輯單元；共分8個(gè)I/O Bank，每個(gè)Bank可以根據(jù)需要配置為1.2V或3.3V的I/O電平，方便與外圍電路連接?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)際需求，在該系統(tǒng)中采用具有240個(gè)引腳PQFP封裝的EP2C20Q240。

        在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要完成對視頻AD、DA的初始化配置和存儲(chǔ)器的讀寫控制，它通過AD的中斷信號(hào)完成對視頻數(shù)據(jù)的采集，并將采集的數(shù)據(jù)放到存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)采集完一幀后將數(shù)據(jù)傳遞給視頻編碼芯片并在監(jiān)視器上顯示同時(shí)開始采集下一幀圖像。

        在本系統(tǒng)中FPGA采用了JTAG和AS兩種配置模式，具體的設(shè)計(jì)可參考ALTERA數(shù)據(jù)手冊[5]。

3.3 存儲(chǔ)器及其他模塊

        由于FPGA芯片內(nèi)部的RAM資源有限，不能存儲(chǔ)過多的視頻數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，外加了兩片SRAM芯片來輔助FPGA進(jìn)行視頻信號(hào)采集。兩片SRAM可以進(jìn)行16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，這樣ADV7181和ADV7177可以根據(jù)需要配置為8位或16位數(shù)據(jù)的工作模式，提高了系統(tǒng)的靈活性。

        本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用的SRAM芯片是美國IDT公司生產(chǎn)的IDT71V424[6]，它是采用高性能與可靠性的CMOS工藝生產(chǎn)的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，其單片存儲(chǔ)容量為512K*8Bit，具有高速的訪問時(shí)間，10或12ns。其內(nèi)部完全由靜態(tài)異步電路構(gòu)成，無需輸入時(shí)鐘信號(hào)，也不必對芯片進(jìn)行刷新，即可直接對無用數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋。

        在實(shí)際的設(shè)計(jì)中為了保證控制信號(hào)的有效性，3條控制線SRAM_/WE、SRAM_/OE, SRAM_/CS分別加了一個(gè)4.7K的上拉電阻后才與FPGA芯片連接。具體電路如圖4所示：

                               
                                        圖4 SRAM與FPGA的接口電路

        此外，為了減少模擬與數(shù)字系統(tǒng)之間的相互干擾，電源模塊采用的是數(shù)字電源和模擬電源分開設(shè)計(jì)最后一點(diǎn)共地的設(shè)計(jì)方案。主要采用了TI公司的TPS54612、TPS64616分別提供FPGA 1.2V核心電壓和3.3V IO電壓；模擬1.8V和3.3V采用的是AMS1117系列的電源芯片。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)軟件是在Quartus II 環(huán)境下采用Verilog語言開發(fā)完成的。主要包括：1、AD和DA芯片的初始化配置，2、視頻圖像的采集，3、視頻圖像的存儲(chǔ)與DA轉(zhuǎn)換。

4.1 I2C配置模塊

        系統(tǒng)上電后，分別將AD和DA芯片復(fù)位，因此需要對它們進(jìn)行初始化配置。程序?qū)⒓拇嫫鞒跏贾凳孪却鎯?chǔ)在數(shù)組中，設(shè)置控制寄存器時(shí)，F(xiàn)PGA通過I2C總線按照AD或DA的配置地址、控制寄存器地址、寄存器值的順序依次寫入數(shù)據(jù)，完成對AD和DA的初始化。I2C的配置模塊的流程[7][8]如圖5所示。

                                    
                                              圖5 I2C配置的流程圖

4.2 視頻圖像的采集模塊

        在本系統(tǒng)中，ADV7181芯片輸出8位為CCIR-656格式(也可根據(jù)需要配置為16位輸出)，它的有效分辨率為720*576,隔行掃描。它輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)格式如表1所示。

                              表1 ADV7181輸出的數(shù)字視頻格式表

        在實(shí)際的邏輯設(shè)計(jì)中，主要的任務(wù)就是對CCIR-656格式的行起始標(biāo)志碼和行結(jié)束標(biāo)志碼的判別與檢測。具體的設(shè)計(jì)如下：在27MHz像素時(shí)鐘信號(hào)ADC_LLC的同步控制下，8位的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)由ADV7181芯片不斷地輸入到FPGA芯片，F(xiàn)PGA首先檢測“FF 00 00”這三個(gè)字節(jié)，對于這三個(gè)字節(jié)的檢測只需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的有限狀態(tài)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。檢測到上述的三個(gè)字節(jié)之后，F(xiàn)PGA接著檢測緊隨這三個(gè)字節(jié)之后的那個(gè)未知字節(jié)，如果未知字節(jié)第4位的值為0，則說明它是SAV字節(jié)，如果為1，則說明它是EAV字節(jié)。表2為SAV和EAV的數(shù)據(jù)格式。

                                 表2 SAV和EAV的數(shù)據(jù)格式表

                          
        有了以上的分析可得到如圖6所示的有效視頻數(shù)據(jù)的采集流程[7][8]圖。

        文中按照上述流程設(shè)計(jì)完成了圖像采集程序，圖7為利用Quartus II自帶的邏輯分析儀工具得到的采集圖像數(shù)據(jù)波形圖，其中邏輯分析儀的采樣時(shí)鐘為27M的ADC_LLC信號(hào)，data_in為圖像數(shù)據(jù)，ad_hs為水平同步信號(hào)。

                                             圖6 有效視頻的采集流程

                               
                                      圖7 FPGA采集得到的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)

4.3 視頻圖像存儲(chǔ)模塊和DA轉(zhuǎn)換模塊

        由于FPGA內(nèi)的RAM資源有限，并為了以后擴(kuò)展方便系統(tǒng)外加了兩片512K*8的SRAM存儲(chǔ)器緩存采集的視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)一幀圖像采集完成后，F(xiàn)PGA將SRAM中的數(shù)據(jù)寫入DA轉(zhuǎn)換芯片，同時(shí)開始下一幀的采集。在本系統(tǒng)中視頻編碼芯片接收標(biāo)準(zhǔn)的8位CCIR-656數(shù)據(jù)，輸出為CVBS復(fù)合視頻信號(hào)。ADV7177的初始化配置和工作過程與ADV7181類似，這里不再贅述。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        按照以上設(shè)計(jì)方案，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試，圖8為系統(tǒng)采集得到的在監(jiān)視器上顯示的一幅視頻圖像,其中ADV7181采用的是8位CCIR-656輸出格式，ADV7177的輸出格式為CVBS視頻信號(hào)。

                           
                                     圖8 系統(tǒng)采集的一幅視頻圖像

6、結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可滿足于高性能的實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)要求。此外，系統(tǒng)采用了FPGA設(shè)計(jì)方案，集成度高、設(shè)計(jì)靈活，而且用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，方便快捷，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。