摘要 由FPGA控制視頻譯碼芯片ADV7170，接收來自紅外熱像儀輸出的數(shù)字圖像，從而把數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為PAL制模擬信號并由電視機進行顯示。該紅外數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)具有小型化、低功耗、靈活性強等特點，能夠廣泛應(yīng)用于國防科技中。
關(guān)鍵詞 FPGA；ADV7170；數(shù)字圖像

    ADV7170芯片是AD公司推出的一款較新且功能較強的視頻譯碼器，這款高度集成的芯片，既包含精密的模擬電路，又包含高速數(shù)字電路。ADV7170應(yīng)用廣泛，適用于DVD播放器、便攜式視頻設(shè)備、視頻監(jiān)視器和機頂盒等場合。
    紅外熱像儀將物體表面的溫度轉(zhuǎn)換成人眼可見的圖像，并以不同灰度值顯示物體表面的溫度分布。紅外熱像儀具有超遠距離成像特點，成像距離主要由物體溫度決定，從而克服傳統(tǒng)成像器件成像距離短的弊端。文中利用這一特點實現(xiàn)對熱像儀周圍空域的實時監(jiān)測，達到預(yù)警的效果。

1 設(shè)計方案
    文中嵌入式數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在此圖像顯示系統(tǒng)中，采用Altera公司的Cyclone 3系列FPGA：EP3C80F484C6，Analog Device公司的視頻譯碼芯片ADV7170。首先FPGA使用I2C總線對ADV7170的內(nèi)部寄存器進行配置，然后FPGA接收來自紅外熱像儀輸出的數(shù)字圖像，并轉(zhuǎn)化為ADV7170可識別的數(shù)據(jù)格式，最后由ADV7170把數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為PAL制模擬信號給電視機顯示。

2 ADV7170的配置
    Analog Device公司生產(chǎn)的ADV7170是一款通用性強的視頻譯碼芯片。它是一款集成的數(shù)字視頻譯碼器，將數(shù)字形式的ITU_R_BT656組合視頻數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準的模擬基帶電視信號。它可以同時輸出一路復(fù)合視頻信號及一組RGB信號，或一路復(fù)合視頻信號及一組YUV信號，或二路復(fù)合視頻信號及一組亮度與色度信號。ADV7170的數(shù)據(jù)輸入有兩種模式：8位與16位。當(dāng)工作于8位模式時，引腳P7～P0作為數(shù)據(jù)輸入口，輸入數(shù)據(jù)序列為Cb0、Y0、Cr0、Y1、Cb1、Y2……，在每個時鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)；當(dāng)工作于16位模式時，引腳P7～P0輸入Y信號，引腳P15～P8輸入Cb、cr信號，每兩個時鐘的上升沿采樣數(shù)據(jù)。無論工作在那種數(shù)據(jù)輸入模式，在輸入數(shù)據(jù)流中都需要嵌入同步控制數(shù)據(jù)。對該芯片應(yīng)用的關(guān)鍵就是要設(shè)置ADV7170內(nèi)部的一些寄存器使ADV7170能正常工作。而ADV7170采用了I2C總線接口標(biāo)準，所以對該芯片的控制就主要是通過I2C總線進行寄存器的配置。
    (1)I2C總線的基本原理。I2C總線是Philps公司開發(fā)的一種用于芯片間通訊的串行數(shù)據(jù)傳輸總線，它由串行時鐘線SCLOCK和串行數(shù)據(jù)線SDATA完成全雙工數(shù)據(jù)傳送。串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸速率，在標(biāo)準模式下可達100 kbit·s-1，快速模式下可達400 kbit·s-1，高速模式下可達3．4Mbit·s-1。I2C總線數(shù)據(jù)傳輸時，在時鐘高電平期間數(shù)據(jù)線上必須保持有穩(wěn)定的邏輯電平轉(zhuǎn)態(tài)，高電平為數(shù)據(jù)1，低電平為數(shù)據(jù)0。只有在時鐘線為低電平時，才允許數(shù)據(jù)線的電平狀態(tài)變化。發(fā)送到串行數(shù)據(jù)線SDATA線上的每個字節(jié)必須為8位，每次傳輸發(fā)送的字節(jié)數(shù)量不受限制。每個字節(jié)后鼻血跟一個相應(yīng)位，首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高為。如果從機要完成一些其他功能后才能接受或發(fā)送下一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)，可以使時鐘線SCLOCK保持低電平迫使主機進入等待狀態(tài)。當(dāng)從機準備好接收下一個數(shù)據(jù)字節(jié)并釋放時鐘線SCLOCK后，數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)。
    I2C總線起始信號：在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由高電平向低電平變化時啟動I2C總線，為I2C總線的起始信號。
    I2C總線終止信號：在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線出現(xiàn)由低電平向高電平變化時停止I2C總線數(shù)據(jù)傳輸，為I2C總線的終止信號。
    I2C總線應(yīng)答信號：I2C總線數(shù)據(jù)傳送時，每傳送1Byte數(shù)據(jù)后必須有應(yīng)答信號。應(yīng)答信號在第9個時鐘位上出現(xiàn)，接受器輸出低電平為應(yīng)答信號，輸出高電平則為非應(yīng)答信號。
    圖2為ADV7170的I2C總線的一次完整的數(shù)據(jù)傳輸。

    (2)I2C模塊設(shè)計與VHDL實現(xiàn)。設(shè)計需要配置的ADV7170內(nèi)部寄存器如表1所示。

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    采用狀態(tài)機方式實現(xiàn)I2C模塊的功能，圖3所示狀態(tài)機中有6個狀態(tài)，分別是St_idle，St_start，St_write，St_read，St_stop和St_ac k。系統(tǒng)復(fù)位之后進入St_idle狀態(tài)，收到go和start命令后進入St_start狀態(tài)，在St_start狀態(tài)下判斷隨后到達的命令，如果是寫寄存器命令，則進入寫狀態(tài)；如果是其他命令，則進入相應(yīng)的狀態(tài)。每次數(shù)據(jù)傳輸完成后會讀取ack信號，判斷寄存器是否配置完成。如果完成則進入停止?fàn)顟B(tài)，由于實際工作中不需要讀寄存器的值，所以讀命令只在調(diào)試中應(yīng)用到。圖4是FPGA實現(xiàn)I2C模塊。

    如圖4所示，用VHDL語言實現(xiàn)了I2C總線對ADV7170內(nèi)部寄存器的配置，圖5～圖6為使用中的寫時序和讀時序圖。

    (2)圖像數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。在PAL制模式下ADV7170能接受的圖像數(shù)據(jù)大小為625×1 728，即每幀圖像有625行，每行有1 728個像素點，這種格式是國際通用的TTU_R_BT656視頻圖像格式。ITU_R_BT656定義了一個并行的硬件接口，用來傳送一路4：2：2的YCbCr數(shù)字視頻流和行場所用的控制信號。ITU_R_BT656視頻圖像格式分為奇場和偶場，奇場313行，偶場312行，每場均有24個消隱行，如圖7所示。每行有行開始狀態(tài)位SAV，行結(jié)束狀態(tài)位EAV，每行對應(yīng)的場信號F，行信號H，消隱信號V如圖8所示。根據(jù)BT_656的這種格式特點需要對接受到的紅外數(shù)字圖像進行格式變化。紅外熱像儀輸出的數(shù)字圖像大小為256×320，即每幀圖像有256行，每行有320個像素點。按照數(shù)字圖像的大小，每行里的每個像素點連續(xù)讀取4次，奇場和偶場各讀取一次圖像。即完成圖像的擴展，剩余的像素元素使用消隱值進行替代。[!--empirenews.page--]

    FPGA實現(xiàn)上述格式轉(zhuǎn)換過程：將一幀數(shù)字圖像存入FPGA內(nèi)部的雙口RAM中，由于ADV7170工作在27 MHz時鐘頻率，所以需要設(shè)置一級乒乓緩存操作。乒乓操作是一個常常應(yīng)用于數(shù)據(jù)流控制的處理技巧，典型的乒乓操作方法如圖9所示。乒乓操作的處理流程描述如下：輸入數(shù)據(jù)流通過“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”，等時地將數(shù)據(jù)流分配到兩個數(shù)據(jù)緩沖模塊。在第一個緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”。在第二個周期，通過“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”，與此同時，將“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”緩存的第一個周期的數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”的選擇，送到“數(shù)據(jù)流處理模塊ADV7170”上。在第3個緩沖周期，通過“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”的再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到“數(shù)據(jù)緩沖模塊1”，與此同時，將“數(shù)據(jù)緩沖模塊2”緩存的第二個周期的數(shù)據(jù)通過“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”的切換，送到“數(shù)據(jù)流處理模塊ADV7170”，依次循環(huán)。乒乓操作的最大特點是，通過“輸入數(shù)據(jù)流選擇單元”和“輸出數(shù)據(jù)流選擇單元”按節(jié)拍、相互配合地切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流沒有時間停頓地送到“數(shù)據(jù)流處理模塊ADV7170”。把乒乓操作模塊當(dāng)作一個整體，站在這個模塊的兩端看數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷，沒有停頓，適合對數(shù)據(jù)流進行流水線式處理，所以使用乒乓操作完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理，達到低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。設(shè)置行計數(shù)器，讀取每行的像素值，然后將讀取的像素值寫入ADV7170的數(shù)據(jù)總線上，最后可以得到ADV7170輸出的PAL制模擬信號。下面是數(shù)字圖像和電視機接收的模擬信號顯示圖像。

3 結(jié)束語
    紅外數(shù)字圖像顯示系統(tǒng)具有小型化、低功耗、靈活性強等特點，能廣泛用于國防科技中。系統(tǒng)使用VHDL語言實現(xiàn)了I2C總線協(xié)議，完成了對ADV7170內(nèi)部寄存器的配置，最終將紅外數(shù)字圖像在電視機上顯示，如圖10和圖11所示。