基于ADV7612高清視頻采集設(shè)計

王繼學(xué)　劉一敏　周華捷

摘要：隨著信息化的快速發(fā)展，數(shù)字高清視頻在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓街匾?，而現(xiàn)今高清視頻采集領(lǐng)域中，主流思想都是基于PC采集卡來實現(xiàn)，但是采集卡諸如功耗過高、體積過大等問題無法避免。針對此問題，本文在前人研究基礎(chǔ)上基于Quartus II 13.1 （64-bit）平臺下開發(fā)出一款可用于嵌入式可移動設(shè)備的HDMI全高清視頻采集模塊。本模塊最大可以支持雙路1920x1080@60Hz的HDMI視頻實時采集。

關(guān)鍵詞：HDMI；視頻采集；FPGA

中圖分類號：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）18-0211-03

High-definition video capture design Based on ADV7612

WANG ji-xue， LIU-yi-min， ZHOU hua-jie

（Institute of Industrial and Equipment Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： With the rapid development of informatization， digital high-definition video is becoming more and more important in people's daily lives. In the field of high-definition video capture today， mainstream ideas are based on PC capture cards， but capture cards such as high power consumption and volume Big problems cannot be avoided. In response to this problem， this article developed a HDMI full HD video acquisition module for embedded mobile devices based on the Quartus II 13.1 （64-bit） platform based on previous research. This module can support dual-channel 1920x1080@60Hz HDMI video real-time acquisition.

Key words： HDMI； video capture； FPGA

HDMI中文全稱為高清數(shù)字多媒體接口，它是由飛利浦、東芝等七家公司共同研發(fā)的數(shù)字高清音視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，可以同步傳輸音頻和視頻。2002年正式發(fā)布HDMI1.0標(biāo)準(zhǔn)，2005年發(fā)布HDMI1.2a版本，相比較于上一版本新增了消費(fèi)電子控制（CEC）和音頻格式等功能，同時在通信接口兼容性方面做了改善。當(dāng)前最新版本為HDMI2.1，傳輸帶寬由2K增加到8K120Hz，同時也增強(qiáng)了音視頻同步功能，數(shù)據(jù)處理速度直接翻倍提升，色彩空間深度也由12位增加到16位，其支持的32位無損音質(zhì)可以使設(shè)備獲得家庭影院般的實際效果。HDMI的這些優(yōu)勢決定其可以應(yīng)用到機(jī)頂盒、數(shù)字視頻播放器、DVD、Game Box、電腦顯示器等數(shù)碼產(chǎn)品，憑借其即插即用、高分辨率、接口迷你等特點(diǎn)迅速占領(lǐng)當(dāng)前顯示器市場，成了高清顯示設(shè)備的標(biāo)配。近幾年光纖技術(shù)的發(fā)展為HDMI遠(yuǎn)距離傳輸提供了可能。本文基于ADV7612設(shè)計了一款HDMI視頻采集模塊，該模塊對于嵌入式高清視頻采集領(lǐng)域具有重要參考價值。

1 HDMI簡介

1.1 HDMI接口定義

目前市面上HDMI視頻接口標(biāo)準(zhǔn)一共由TypeA、TypeB、TypeC、TypeD、TypeE五種，其中TypeA是市面上最常見的接口形態(tài)，普通筆記本或者顯卡普遍采用這一接口形式；TypeB是TypeA的物理升級，比TypeA有更高的傳輸性能；TypeC俗稱miniHDMI接口，其物理尺寸相比與TypeA縮小一半，主要在手機(jī)或者攝像機(jī)等移動設(shè)備上，本系統(tǒng)采用較為常見的A型19針連接器，其引腳定義如表1所示。

由于需要高速傳輸數(shù)據(jù)，HDMI接口1-12號管腳是數(shù)據(jù)和時鐘線都是TMDS差分信號，差分信號可以有效減小信號的衰減提高信號質(zhì)量，15、16兩根IIC信號線用于配置HDMI視頻信號源，17號引腳通常用來功能性擴(kuò)展，在實際使用中，可以不使用，18號引腳是+5V電源，用于給HDMI設(shè)備提供低于55mA電流供電，19號管腳用于檢測是否有HDMI視頻源插入，有了這個管腳信號使得HDMI設(shè)備可以支持熱插拔。

1.2 HDCP視頻加密認(rèn)證

由于版權(quán)原因，為了保護(hù)數(shù)字視頻不被非法錄制，每個HDMI芯片都加入了HDCP數(shù)字保護(hù)機(jī)制，它能保證傳輸?shù)腍DMI視頻流是加密傳輸?shù)?。HDMI發(fā)送器通過IIC接口通信協(xié)議的DDC通道配置芯片接收寄存器的解密信息，每一個芯片出廠時都會在內(nèi)部集成一個HDCP密鑰，同時也集成了該密鑰的選擇向量，視頻數(shù)據(jù)發(fā)送的每一個時鐘內(nèi)，HDCP都會計算出一個解密值用于加密生成的視頻信息，這么做有效保障了HDMI視頻數(shù)據(jù)的安全性。

2 硬件構(gòu)成

2.1 ADV7612簡介

ADV7612是ADI公司（Analog Devices，Inc）的作為HDMI視頻接收芯片，它是一款雙端口、高質(zhì)量HDMI接收芯片，支持最新的HDMI1.4 a標(biāo)準(zhǔn)，雙通道輸入，最大輸入像素時鐘高達(dá)225 MHz。與同類產(chǎn)品相比，ADV7612具有更小的物理尺寸，更低的功耗，并且由于采用了先進(jìn)的Xpressview技術(shù)，使其可以進(jìn)行快速HDMI端口切換。除此之外，它還可以支持加密視頻流以及CEC、CDC等。ADV7612視頻采集功能框圖如圖1所示。

ADV7612將HDMI接口進(jìn)來的音頻和視頻數(shù)據(jù)送入TMDS數(shù)字核中，經(jīng)過解碼處理后轉(zhuǎn)換為YcbCr或者RGB信號輸出給圖像接收端控制器。值得注意的是雖然ADV7612有兩個HDMI接收口，但在同一個時刻只能有一個口處于激活狀態(tài)，當(dāng)端口1和端口2同時有視頻輸入時，可以通過軟件配置更改寄存器值來選擇需要的端口。ADV7612支持低功耗模式，在芯片工作時可以自動檢測輸入進(jìn)來的HDMI數(shù)據(jù)流，當(dāng)檢測到視頻像素時鐘停止時，芯片自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，直至下一次激活。ADV7612 支持1920x1080@60Hz分辨率的全高清TMDS數(shù)據(jù)流解碼，它是一種最小化差分信號傳輸機(jī)制，其將二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”用兩腳之間的電壓正負(fù)極性來表示，這種方式使信號過渡過程的上沖和下沖減小，信號傳輸對于傳輸線的干擾大幅減少，極大地提高了信號傳輸?shù)臅r效性和可靠性。

2.2 電源電路設(shè)計

ADV7612一共需要三個電源，分別為3.3V和1.8V，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊3.3V是數(shù)字I/O供電電源，決定了視頻輸出的行場信號與36位RGB信號的輸出信號電平為3.3VTTL電平標(biāo)準(zhǔn)；1.8V為ADV7612數(shù)字內(nèi)核供電電壓。二者均采用TI公司的TPS754xx，它是一種低壓差穩(wěn)壓器，集成上電復(fù)位和電源輸出正常檢測管腳（PG），能提供最大2A的輸出電流和210mv的壓差，當(dāng)器件滿載輸出時靜態(tài)電流為75uA ，當(dāng)被禁用時此數(shù)值下降到1uA。ADV7612電源原理圖如圖2所示。

2.3 HDMI接口電路設(shè)計

ADV7612 支持雙端口HDMI輸入，但是同一時刻只能選擇一個端口的視頻流送入內(nèi)核解碼，解碼出的時序邏輯像素數(shù)據(jù)送入FPGA接收處理。HDMI輸入信號采用TMDS數(shù)據(jù)通道，并且其TypeA接口的1-12號引腳均通過ESD保護(hù)芯片進(jìn)行保護(hù)，最大可以抗靜電±8KV，此外添加ESD保護(hù)器還可以有效的芯片過流保護(hù)。

ADV7612可以支持四種頻率晶振輸入分別為27.0MHz，28.63.0MHz（default），24.576MHz，24.0MHz，通過配置0x04寄存器的XTAL_FREQ_SEL[1：0]位來選擇一種晶振，如果用戶使用了28.63Mhz的晶振，則是和寄存器默認(rèn)相匹配的，此情況下，無須更改與晶振相關(guān)寄存器配置即可，其他情況下需要調(diào)整寄存器值后芯片才能正常啟動。除了視頻外，ADV7612還可以解碼出音頻數(shù)據(jù)，并通過自身的IIS接口將音頻數(shù)據(jù)實時同步的送給聲音接收設(shè)備，做到音視頻同步播放。ADV7612硬件連接如圖3所示。

3 驅(qū)動軟件設(shè)計

作為視頻接收芯片，ADV7612啟動前需要相關(guān)設(shè)置，由于本系統(tǒng)采用FPGA作為從處理器，故相關(guān)驅(qū)動程序的設(shè)計均是基于Quartus II 13.1 （64-bit）下的Verilog語言設(shè)計的。ADV7612上電復(fù)位后，其IIC的器件地址默認(rèn)為0x98，此時控制器FPGA需要對寄存器0x01、0x02、0x03、0x05、0x06、0x19等寄存器寫入初始值，其中0x01寄存器為視頻格式接收選擇，以及視頻刷新頻率選擇，用戶輸入什么格式的HDMI視頻，這里就必須配套設(shè)置什么值，否則造成格式不匹配；0x02寄存器用于設(shè)置自動CS片選信號；0x03寄存器選擇視頻顏色深度，最大可以設(shè)置36位；0x06寄存器設(shè)置行場信號反轉(zhuǎn)，用于匹配不同的圖像顯示設(shè)備，0x19寄存器用于啟動LLC像素時鐘輸出，最大可到225MHz，ADV7612軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論

嵌入式全高清視頻采集系統(tǒng)是一個極具實用價值的研究方向，包含許多前沿科技的相關(guān)技術(shù)。本文設(shè)計的基于ADV7612芯片的嵌入式視頻采集模塊，采用HDMI1.4a標(biāo)準(zhǔn)，支持音視頻同步分離接收，可以很好地應(yīng)用于嵌入式醫(yī)療圖像采集、安防監(jiān)控領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)逐步地實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，本方案在未來的市場環(huán)境中將實現(xiàn)其應(yīng)用價值。

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