視頻圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

中原電子集團(tuán)有限公司 周緒兵

視頻圖像采集系統(tǒng)應(yīng)該完成視頻信號(hào)從前期采集到存取和PC機(jī)之間的通信，以及DSP處理并且在PC機(jī)上的視頻回放等功能，這也是目前國內(nèi)外的主流視頻圖像處理系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的功能。

一、研究方案的擬訂

1.視頻圖象輸入方案擬訂

隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，高集成度芯片的開發(fā)也越來越成為一種趨勢，所以在視頻信號(hào)的采集中使用視頻信號(hào)輸入處理的集成芯片可以為后繼的圖像處理提供極大的方便，并大大減少硬件電路的復(fù)雜程度，也降低設(shè)計(jì)的成本。

2.數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)方案擬訂

采用一片F(xiàn)PGA芯片里面內(nèi)嵌了niosⅡ軟核處理器，能大大提高系統(tǒng)的集成度和節(jié)約資源和成本。其基本原理圖如圖1所示。

圖1 圖像的采集數(shù)據(jù)的存取控制框圖

3.PCI接口的實(shí)現(xiàn)方案選擇

使用可編程邏輯器件FPGA可以根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際需要僅選擇實(shí)現(xiàn)PCI協(xié)議的某些子集.同時(shí)將另外一些重要的功能集成到同一個(gè)器件上，這樣就使得所設(shè)計(jì)的PCI接口具很強(qiáng)的針對性和靈活性。采用FPGA來設(shè)計(jì)簡化的32位PCI接口，同時(shí)集成了DMA(Direct Memory Access)塊模式傳輸方式，既實(shí)現(xiàn)了PCI總線的高速傳輸，同時(shí)又大量減少CPU處理時(shí)間，從兩方面保證了視頻處理的實(shí)時(shí)性。

4.系統(tǒng)總體方案

使用圖形采集集成芯片SAA7113H完成視頻圖像輸入處理工作，用一個(gè)嵌入了niosⅡ軟核的FPGA來實(shí)現(xiàn)對SAA7113H的初始化和圖像幀的存取控制，PCI接口電路實(shí)現(xiàn)和PC機(jī)之間的高速通信。整體方案框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

二、SAA7113H在視頻采集接口系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.SAA7113H主要功能特點(diǎn)

SAA7l13H是一款功能強(qiáng)大且操作簡單的9位視頻輸入處理芯片，該芯片采用CMOS工藝，通過IIC總線與PC或DSP相連構(gòu)成應(yīng)用系統(tǒng)。它內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)源選擇、抗混疊濾波、MD轉(zhuǎn)換、自動(dòng)箝位、自動(dòng)增益控制(AGC)、時(shí)鐘發(fā)生(CGC)、多制式解碼、亮度/對比度/飽和度控制(BCS)和多標(biāo)準(zhǔn)VBI數(shù)據(jù)解碼。

2.視頻接口的硬件連接

系統(tǒng)上電后，在DSP接到采集圖像的指令后，就設(shè)置SAA7113H內(nèi)部寄存器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。接口所有的控制邏輯都在一塊FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

視頻采集控制器根據(jù)SAA7ll3H的同步信號(hào)LLC、RTSO、RTS1在內(nèi)部產(chǎn)生對幀存儲(chǔ)器的地址信號(hào)A[18：0]、寫信號(hào)WR以及幀切換信號(hào)之一(RDY1)。視頻采集控制器產(chǎn)生的地址信號(hào)、寫信號(hào)和SAA7113H的VPO數(shù)據(jù)接口構(gòu)成了幀存寫通道的入口；DSP送來的地址線、數(shù)據(jù)線、讀信號(hào)構(gòu)成了幀存讀通道的出口，兩者交替在幀存控制器的控制下分別與幀存A、幀存B連接。幀存控制器根據(jù)切換信號(hào)RDY1、RDY2與運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換：當(dāng)一幀圖像存入幀存儲(chǔ)器時(shí)，幀切換的兩個(gè)必要條件之一RDY1置為高電位(邏輯真)，RDY2是DSP處理完一幀圖像后置為高電位，當(dāng)兩者同時(shí)為真時(shí)，切換兩通道的連接，開始新的一個(gè)圖像采集處理過程，同時(shí)RDY1、RDY2復(fù)位，為下一次切換作準(zhǔn)備。FPGA芯片采用的Cyclone系列的EP1C12。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 接口硬件框圖

三、PCI接口電路設(shè)計(jì)

PCI接口電路就是用來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)和PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)快速傳輸。然而利用FPGA模塊來實(shí)現(xiàn)就大大的減少了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，這樣為整個(gè)設(shè)計(jì)節(jié)省了不少資源也降低了成本。本系統(tǒng)采用FPGA以及其嵌人式核niosⅡ來實(shí)現(xiàn)PCI總線接口，在大量的軟件設(shè)計(jì)后，F(xiàn)PGA芯片直接生成幾個(gè)PCI接口引腳，所以它的關(guān)鍵在于軟件的設(shè)計(jì)。軟件編程時(shí)主要使用VHDL硬件語言。在PCI總線和本地總線采用DMA傳輸方式節(jié)約了大量CPU資源，這樣也大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

采用Cyclone系列的EP1C12器件完成設(shè)計(jì)，該器件共有12060個(gè)LogicCell。PCI總線上的Slave和Master之間的數(shù)據(jù)傳輸方式是以DMA塊模式傳輸?shù)?，符合PCI協(xié)議2.2。實(shí)際電路在WIN2000操作系統(tǒng)下運(yùn)行，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到80Mbps，滿足了高速視頻處理要求。

芯片由PCI接口模塊、DMA控制模塊及本地總線接口模塊三部分構(gòu)成。PCI接口模塊實(shí)現(xiàn)了簡化的33MHz工作時(shí)鐘、32位總線寬度的接口功能，支持內(nèi)存空間及配置空間的讀寫；還負(fù)責(zé)遵循PCI協(xié)議2.2與PCI總線通信，實(shí)現(xiàn)接口芯片的即插即用。DMA控制模塊負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)的DMA請求，接管總線控制權(quán)，以DMA方式將計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)以塊方式讀出并寫到連接本地總線的存儲(chǔ)器，DMA結(jié)束后發(fā)出中斷通知計(jì)算機(jī)，然后釋放對總線的控制權(quán)。DMA控制模塊也以同樣的原理實(shí)現(xiàn)本地總線到PCI總線的DMA傳輸因此，本文只需對PCI總線到本地總線的DMA傳輸實(shí)現(xiàn)方法加以闡述。本地總線接口模塊負(fù)責(zé)根據(jù)本地總線的協(xié)議，同步DMA控制模塊對其操作，因?yàn)樗墓δ軐?shí)現(xiàn)隨具體采用的本地總線的不同而變化，故這里不作詳細(xì)說明。

四、niosⅡ嵌入式核設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可剪裁(可編程，可重構(gòu))的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)自其誕生以來已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨。大致回顧一下嵌入式系統(tǒng)的歷史。1987年到1997年的十年是ASIC風(fēng)行的十年，而后的十年，也就是1997年到2007年是現(xiàn)場可編程器件的大好時(shí)光，制造標(biāo)準(zhǔn)化但應(yīng)用定制化是這個(gè)階段的明顯特征，而2007年后，用戶可重構(gòu)和可自動(dòng)配置的SOC和SIP將成為下一個(gè)嵌入式系統(tǒng)核心技術(shù)發(fā)展階段的主流。

五、小結(jié)

本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)簡單，易于制作和測試，把大量的硬件電路都集成到了一片F(xiàn)PGA芯片上來實(shí)現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)的成本。由于運(yùn)用了嵌入式的FPGA設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活，數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，也較為合理解決了本系統(tǒng)中軟硬件電路數(shù)據(jù)交換的瓶頸問題。在基于FPGA的PCI接口電路的設(shè)計(jì)很好的解決了視頻采集系統(tǒng)和PC機(jī)之間的高速通信問題。這種設(shè)計(jì)不但可以運(yùn)用在視頻如圖象采集系統(tǒng)，還可以大量的運(yùn)用在數(shù)據(jù)采集的其他領(lǐng)域。

[1]任愛鋒,初秀琴,常存等.基于FPGA的嵌入式設(shè)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[2]孔祥剛,諸靜,陽濤.SAA7113H在視頻采集接口設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]電子技術(shù),2003(12):26-30.

[3]王雪松.基于FPGA的智能視頻信號(hào)處理技術(shù)研究[D].吉林:長春理工大學(xué),2009.

[4]王行,李衍.EDA技術(shù)入門與提高[M].西安:西安電子大學(xué)出版社,2005.

[5]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程(第二版)[M].北京:科技出版社,2005.

[6]鄭容.基于FPGA的圖像采集與預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.