基于FPGA的電視/紅外視頻信號檢測電路設(shè)計

王 剛，曹玉東

(1.海裝西安局，陜西 西安 710065;2.中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所，河南 鄭州 450047)

責(zé)任編輯:時 雯

1 視頻信號檢測概述

在基于電視/紅外圖像搜索、跟蹤的光電裝備中，電視探測器、紅外熱像儀等傳感器一般安裝在有伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺上。電視探測器、紅外熱像儀視頻圖像信號經(jīng)轉(zhuǎn)臺的導(dǎo)電滑環(huán)傳輸至視頻圖像處理器。視頻信號經(jīng)長距離傳輸引起衰減，或轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動產(chǎn)品的電磁干擾疊加在視頻信號上使視頻信號出現(xiàn)不穩(wěn)、丟幀現(xiàn)象。視頻信號的穩(wěn)定與否不僅關(guān)系到視頻圖像處理器提取目標(biāo)特性的能力，并且關(guān)系到圖像搜索、跟蹤能否正常［1］。當(dāng)視頻出現(xiàn)丟幀時，由于視頻的突然變化和不穩(wěn)引起視頻信號檢測異常，而誤報電視/紅外故障。因此，在視頻圖像處理器中設(shè)計視頻信號檢測電路，當(dāng)視頻丟幀或不穩(wěn)時檢測電路判斷視頻信號是否正常，從而避免了誤報電視/紅外故障。尤其當(dāng)電視探測器、紅外熱像儀未開機沒有視頻輸入情況下，由于轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的干擾信號疊加在視頻線上，誤以為視頻信號不穩(wěn)定而導(dǎo)致誤報故障問題。

一般的視頻信號檢測電路采用分立器件來設(shè)計，分離器件更新?lián)Q代快、通用性差。另外，分離模擬器件一般為+5 V的電源供電，而目前視頻圖像處理器使用的DSP及FPGA電路的I/O口電壓多為+3.3 V。因此，本文提出了一種基于FPGA的視頻信號檢測電路，不僅實現(xiàn)了視頻信號的檢測，并且提高了檢測的抗干擾能力，還充分利用了FPGA的設(shè)計資源，減少了分離器件的種類、數(shù)量，進(jìn)一步縮小印制板電路的面積，降低了成本，提高了裝備的可靠性。

2 視頻檢測電路設(shè)計

本文以紅外視頻為例，視頻信號檢測電路由數(shù)字和模擬兩部分組成，如圖1所示。模擬部分為視頻信號的同步信號分離，數(shù)字部分包括場同步信號的整形，以及場同步信號與系統(tǒng)(外部)時統(tǒng)信號的比較選擇，通過FPGA設(shè)計來實現(xiàn)。

圖1 視頻信號檢測電路原理框圖

2.1 視頻信號的場同步信號分離

電視/紅外視頻圖像處理時序主要基于行同步信號和場同步信號，視頻信號包含的行、場同步信號，需要通過視頻行、場同步分離信號進(jìn)行解離，一般選擇專用的解離芯片進(jìn)行解離［2］。本電路同步信號分離采用Intersil公司的EL1883視頻信號分離器，其電路配置如圖2所示。EL1883視頻信號分離器有+5 V供電也有+3.3 V供電，此電路采用+3.3 V供電。IR_IN為輸入模擬視頻，IR_LS為分離出來的復(fù)合同步、IR_FS為分離出來的場同步，直接輸出至FPGA進(jìn)行處理。

圖2 視頻信號行、場同步分離電路

2.2 同步信號的整形及擴展

經(jīng)分離后的同步信號脈寬比較窄，需要以行、場同步信號的下降沿為基準(zhǔn)，整理成低電平脈沖寬度不變的行、場同步時序信號，為此需要下降沿提取和數(shù)字脈沖展寬設(shè)計，就是通常所說的行、場信號整形。

在FPGA設(shè)計中，采用5 MHz時鐘對紅外同步信號IR_FS延遲，并與為延遲的相異或，提取同步信號的下降沿，用作數(shù)字脈沖擴展的輸入，電路如圖3所示。該部分設(shè)計成一個模塊為FS_TQ。

圖3 采用延遲相異或提取FS同步信號的下降沿

而數(shù)字脈沖擴展，采用Verilog語言設(shè)計，如下所示，負(fù)電平脈沖寬度展寬至為91μs的脈沖擴展模塊FS_SP。

相比模擬電路而言，采用FPGA設(shè)計的電路輸出脈沖寬度整形，不受環(huán)境溫度的影響，也不像通過54LS221等器件設(shè)計模擬電路展寬信號脈沖，需要對電阻、電容等器件的精度作規(guī)定、要求［3］，從而減少了器件的種類和篩選要求，提高了電路可靠性。

2.3 視頻同步與系統(tǒng)時統(tǒng)信號的計數(shù)比較設(shè)計

上述視頻檢測電路設(shè)計中，當(dāng)視頻出現(xiàn)干擾時，視頻信號同步分離器會出現(xiàn)干擾信號，尤其是電視、紅外沒有加電開機、視頻線無驅(qū)動負(fù)載時，經(jīng)過長線傳輸穿越導(dǎo)電滑環(huán)的視頻線相當(dāng)于一個天線，在轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動過程中，大量的干擾引起同步分離器輸出錯誤的不規(guī)則的行、場信號，引起連接至DSP的信號檢測管腳的誤判，錯誤判斷電視或紅外已經(jīng)加電，但不規(guī)則的行、場信號時有時無，最后導(dǎo)致誤判電視/熱像儀故障。為此，在設(shè)計中增加了一種與系統(tǒng)的時統(tǒng)相比較，進(jìn)行選擇、判斷的抗干擾電路，如圖4所示，模塊FS_DEC即為計數(shù)、比較、抗干擾電路。

圖4 FPGA內(nèi)部電路圖

紅外場同步信號輸入后，經(jīng)過模塊FS_TQ和FS_SP整形展開至91μs后，一路輸出用作紅外信號處理的基本時序，另一路送計數(shù)、比較模塊，選擇輸出至DSP中斷，軟件計數(shù)處理后，用作紅外視頻檢測判斷。

由于紅外視頻的場同步信號為50 Hz、系統(tǒng)時統(tǒng)信號也為50 Hz，因此在同步分離及整形的基礎(chǔ)上，采用對已經(jīng)整形好的紅外場同步信號與系統(tǒng)的時統(tǒng)信號比較來進(jìn)行抗干擾設(shè)計，由于系統(tǒng)的時統(tǒng)信號(50 Hz)上電后是一直存在，當(dāng)紅外場同步信號與50 Hz系統(tǒng)時鐘在固定時間段內(nèi)計數(shù)相差大于一定值時，可判讀紅外視頻存在丟失。

如圖5所示，F(xiàn)PGA內(nèi)FS_DEC模塊的底層電路圖，對紅外場同步及系統(tǒng)時鐘以5.12 s為間隔進(jìn)行計數(shù)，比較差值，大于50場即1 s時，選擇低電平送INT2，終止中斷，否則將紅外場同步信號送INT2，軟件對INT2中斷計數(shù)，計數(shù)值不更新或者更新值與系統(tǒng)時鐘計數(shù)相比停滯或差值增加時，判斷紅外視頻丟失或存在丟幀，進(jìn)而也可以判斷紅外熱像儀是否加電。這樣，通過對中斷信號進(jìn)行抗干擾處理，避免了不規(guī)則干擾信號對于視頻是否丟失判斷的影響，提高設(shè)備的抗干擾能力和設(shè)備的可靠性。

圖5 計數(shù)比較模塊FS_DEC的電路圖

3 時序仿真和試驗驗證

針對上述模塊設(shè)計，仿真了設(shè)計波形，如圖6所示，當(dāng)輸入紅外場同步信號頻率及幅值特征正常時，產(chǎn)生出紅外圖像處理基本時序IR_OUT和檢測視頻是否正常的信號INT2。

圖6 IR_FS輸入正常時，INT2及IR_FS_OUT仿真波形

圖7為當(dāng)輸入紅外場同步信號紊亂，產(chǎn)生的IR_OUT及INT2信號，很明顯，盡管干擾信號對也產(chǎn)生了個別整形的場同步信號，但由于進(jìn)入DSP的中斷信號進(jìn)行了計數(shù)比較選擇，濾除了不規(guī)則的信號，干擾沒有形成對INT2的影響，DSP軟件能夠正常運行，正確判斷紅外視頻不正常，紅外沒有加電和紅外視頻丟失。

圖7 IR_FS輸入不正常時，INT2及IR_FS_OUT仿真波形

通過在電視/紅外跟蹤裝備平臺上進(jìn)行了試驗驗證，長時間加電工作，電視、紅外視頻檢測的抗干擾性能明顯提高;轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臺，電磁干擾不再對電視、紅外視頻正常與否的判斷造成影響，很好地提高了設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)語

在電視/紅外視頻信號檢測過程中，采用FPGA設(shè)計電視/紅外視頻檢測電路，簡化了電路設(shè)計。經(jīng)試驗驗證，能正確檢測電視、紅外信號是否正常，并解決了轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電磁干擾對視頻檢測的影響，提高了電視/紅外跟蹤裝備的故障檢測能力和可靠性。

［1］王剛，曹玉東.視頻調(diào)理器MAX7452在電視/紅外視頻跟蹤儀中的應(yīng)用［J］. 電視技術(shù)，2011，35(17):59－60.

［2］EL1883 Datasheet，Intersil corporation products datasheet［EB/OL］.［2012－05－10］.http://www.google.com.hk/url?sa=t＆source=web＆cd = 1＆ved = 0CDkQFjAA＆url = http% 3A% 2F%2Fwww.intersil.com%2Fcontent%2Fdam%2FIntersil%2Fdocuments%2Ffn70%2Ffn7010.pdf＆ei=NllFUMHQNsWjiAeZjYG4Bw＆usg=AFQjCNEIp84xl6ml8I－VnGP6aVPb9PE_6w.

［3］SN54LS221 Datasheet，TI products datasheet［EB/OL］.［2012－05－10］.http://www.okdatasheet.com/datasheets/Motorola/SN54LS221J.html.