數字視頻采集回放系統的SoPC設計

楊翠軍，錢 敏，曹云鵬，朱 靜

（蘇州大學 微電子系，江蘇 蘇州 215021）

0 引言

由于大規模集成電路（VLSI）、計算機和通信技術的迅速發展與結合，促進了視頻技術的進步與廣泛應用[1]。作為逐漸取代模擬視頻的數字視頻越來越受到人們的關注，日益成為一種廣泛應用的媒體，而其中數字視頻圖像采集是進行數字視頻處理技術的關鍵[2]。本文采用SoPC技術設計了一種嵌入式數字視頻圖像采集方案。可編程片上系統（System on Programmable Chip，SoPC）是Altera公司提出來的一種靈活、高效的SoC解決方案，是一種新的軟硬件協同設計的系統設計技術。它將處理器、存儲器、I/O口、LVDS、CDR等功能模塊集成到一個可編程器件上，構成一個可編程的片上系統[3]。本文利用該技術在FPGA芯片上配置NiosⅡ軟核處理器及相關接口模塊來實現硬件平臺，并利用Altera公司的軟件集成開發環境NiosⅡIDE進行軟件設計，控制整個采集流程，實現了數字視頻圖像的高速A/D轉換、存儲及顯示等功能。

1 PAL制數字視頻圖像

目前，世界上采用的電視信號制式主要有PAL制、NTSC制和SECAM制3種，中國采用的電視信號是PAL制。PAL電視制式規定，場掃描頻率為50 Hz，每幀圖像的掃描行數為625行。PAL制電視信號如圖1所示[4-5]，圖中H為行同步信號的周期，標稱值為64 μs。

PAL制電視信號轉化為數字視頻信號后，數據格式一般符合ITU 656 YUV 4∶2∶2標準，其主要特征有：

1）25 f/s的幀率，每幀分為奇數場和偶數場。每幀掃描625行，其中有效圖像數據572行，每行采樣864個像素，其中有效像素720個。

2）有3個正交分量。亮度分量Y、色度分量U（Cb）和V（Cr），Y表示明亮度（灰度值），Cb和Cr表示色度（色彩及飽和度）。其中亮度分量Y每行采樣864次，色度分量Cr和Cb每行采樣432次。

3）8 bit或者10 bit的PCM編碼。量化時0和255用于同步；1～254表示采樣結果的PCM碼；對于亮度分量Y，16表示黑色，235表示白色；對于色度分量Cb/Cr，128表示沒有色度。

4）有3個信號用于同步輸出的數據。行同步信號、場同步信號和像素同步信號[6]。

2 采集模塊工作原理及硬件平臺構建

工作原理為：由視頻信號源輸出PAL制模擬信號，采集開始。首先由I2C配置好后的視頻解碼芯片ADV7181將輸入的模擬視頻信號進行解碼，輸出8 bit格式為YCbCr 4∶2∶2復合視頻數字信號，接著利用視頻圖像處理模塊對視頻數字信號進行4∶2∶2到4∶4∶4的格式轉化，YCbCr到RGB色彩空間的轉換等處理，再通過視頻編碼芯片SDA7123進行D/A轉換，最后在VGA監視器上顯示出來。

本文選用Altera CycloneⅡ系列EP2C35型號的FP?GA芯片。該芯片具有33 216個邏輯單元、475個用戶自定義I/O接口、35個嵌入式乘法器和4個鎖相環。在FP?GA中設計了以下模塊：PLL、NiosⅡ嵌入式軟核處理器、掛接在Avalon總線上的JTAG UART，PIO，Timer，System ID，SDRAM Controller，Flash（CFI）Controller等內核以及用戶定制的邏輯外設模塊freedev_i2c，serial_segment，freeedev_bt656，freedev_sram。在FPGA外圍有視頻解碼芯片ADV7181，用于存儲的SDRAM，視頻編碼芯片SDA7123等。圖2為系統硬件結構圖。

在系統硬件平臺中，嵌入到FPGA的處理器和各接口模塊是設計的關鍵。利用Altera公司的QuartusⅡ軟件中集成的SoPC Builder開發工具來創建設計基于處理器、外圍設備和存儲器的嵌入式系統將大大縮短整個設計周期。下面主要對NiosⅡ軟核處理器、ADV7181及其I2C配置、視頻圖像采集模塊、視頻圖像解碼及顏色轉換模塊等幾個關鍵模塊的設計進行介紹。

2.1 NiosⅡ軟核處理器

NiosⅡ處理器是Altera公司推出的第二代用于可編程邏輯器件的可配置的軟核處理器。由于處理器是軟核形式，具有很大的靈活性，因此，可以在多種系統設置組合中進行選擇，達到性能和成本的要求[7]。NiosⅡ處理器系列包括三種內核：高速內核（NiosⅡ/f）、經濟內核（NiosⅡ/e）、標準內核（NiosⅡ/s）。本文采用的CycloneⅡ系列的EP2C35芯片邏輯資源十分豐富，加上采集系統實時處理對CPU的性能要求較高，因此選用了高性能的NiosⅡ軟核作為本系統的CPU。接著再完成其他外設模塊的添加，即完成了嵌入式系統的設計。圖3為完成配置的SoPC Builder GUI界面。

2.2 ADV7181及其I2C配置

本文采用ADV7181芯片來完成模擬視頻信號的A/D轉換。ADV7181是Analog Device公司推出的一款高性能的集成視頻解碼芯片，能自動檢測并轉換標準NTSC，PAL和SECAM制式的電視信號為8 bit或16 bit的YCb?Cr 4∶2∶2復合數字視頻。

ADV7181支持I2C串行總線接口，通過I2C接口對芯片內部相關控制寄存器進行配置。圖4為I2C總線傳輸時序。本文中的freedev_i2c模塊是用戶自定制邏輯實現的，編寫verilog代碼，實現I2C協議，并通過Avalon總線接口與NiosⅡ軟核處理器相連。

2.3 視頻圖像采集模塊

freeedev_bt656模塊對ITU-R BT.656 YCrCb 4∶2∶2格式的數字碼流進行采集處理，并作為用戶自定義外設掛接在Avalon總線上。因此，模塊的端口要符合Avalon接口規范，分為主端口和從端口。主端口為發起傳輸的Avalon信號類型的集合，從端口為響應傳輸請求的Ava?lon信號類型的集合。freeedev_bt656模塊通過slave port來設置模塊工作參數和模式，視頻采集部分以輸入視頻時鐘采集數據并緩存到視頻FIFO中，master port部分讀視頻FIFO中的數據，并支持突發式傳輸將數據存放到內存中，從而實現視頻圖像的采集與存儲。

2.4 視頻圖像解碼及顏色轉換模塊

本文中的Tv_to_VGA模塊完成視頻圖像的解碼及顏色轉換功能。從ADV7181輸出數字碼流的格式為ITU-R BT.656 YCrCb 4∶2∶2，即每采4個亮度信號，就各采樣2個色差信號。因此在顏色變換之前，采用“nearest neighbor”[8]像素縮放方法，即通過復制相鄰采樣點的色差信號的方法將其格式轉化為YCrCb 4∶4∶4。視頻圖像輸出部分的設計采用了SDA7123視頻D/A轉換器，實現數字RGB轉換為模擬RGB（VGA）信號輸出的功能，因此在Tv_to_VGA模塊中也要完成YCrCb到RGB顏色空間轉換的功能，輸出8 bit的數字RGB信號、行場同步信號和VGA時鐘及消隱等信號，將這些信號送給SDA7123芯片進行D/A轉換，最后送給VGA監視器。

3 采集模塊的軟件設計

系統的軟件設計是在NiosⅡ集成環境下完成的，NiosⅡ集成開發環境（IDE）是NiosⅡ系列嵌入式處理器的基本開發工具。設計中以C語言的形式并利用IDE集成環境提供的硬件抽象層（HAL）的函數來完成軟件程序的編寫。

在采集系統啟動后，首先初始化視頻I2C控制器，對ADV7181進行配置初始化以及清空FIFO緩沖器等，接著寫命令寄存器，啟動采集。在采集過程中，通過讀FIFO的狀態，并利用printf函數輸出就可以在IDE界面的Con?sole控制臺中查看采集過程中FIFO的即時狀態，程序中幾個主要部分如下：

1）按照PAL的設計要求對ADV7181B相關寄存器進行配置。

2）在SDRAM中開辟視頻緩存空間，定義其大小，并將其初始化為0。

3）寫命令控制寄存器，禁止采集和存儲，并清空FIFO。

4 采集系統測試及結論

在實驗室條件下對系統進行測試。啟動系統，開啟視頻源進入視頻采集處理過程，并最終在VGA監視器上顯示出穩定清晰的視頻圖像，圖5為系統調試結果。

在采集過程中使用Altera SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析儀對FPGA信號及狀態進行檢測，圖6為SignalTapⅡ檢測波形，其中A處的YCrCb 4∶2∶2碼流為連續的80h10h，表明此時段正處于視頻消隱階段，B處表明在消隱階段解碼后RGB輸出00h，C處表明一個行同步信號的使能，分析得到檢測波形符合設計的要求。

本文采用SoPC技術，通過在CycloneⅡFPGA芯片上配置NiosⅡ軟核處理器及相關接口模塊來實現硬件平臺，并利用Altera公司的軟件集成開發環境NiosⅡIDE進行軟件設計來控制整個采集流程。實現了數字視頻圖像的高速A/D轉換、存儲及顯示等功能。由于采用SoPC技術，模塊具有設計靈活、采集速度快和擴展升級性好等優點。

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