基于FPGA的電視/紅外視頻信號檢測電路設計

王 剛，曹玉東

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

責任編輯: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的轉臺上。電視探測器、紅外熱像儀視頻圖像信號經轉臺的導電滑環傳輸至視頻圖像處理器。視頻信號經長距離傳輸引起衰減，或轉臺轉動產品的電磁干擾疊加在視頻信號上使視頻信號出現不穩、丟幀現象。視頻信號的穩定與否不僅關系到視頻圖像處理器提取目標特性的能力，并且關系到圖像搜索、跟蹤能否正常［1］。當視頻出現丟幀時，由于視頻的突然變化和不穩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計視頻信號檢測電路，當視頻丟幀或不穩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，由于轉臺轉動產生的干擾信號疊加在視頻線上，誤以為視頻信號不穩定而導致誤報故障問題。

一般的視頻信號檢測電路采用分立器件來設計，分離器件更新換代快、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的設計資源，減少了分離器件的種類、數量，進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 視頻檢測電路設計

本文以紅外視頻為例，視頻信號檢測電路由數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，數字部分包括場同步信號的整形，以及場同步信號與系統(外部)時統信號的比較選擇，通過FPGA設計來實現。

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、場同步分離信號進行解離，一般選擇專用的解離芯片進行解離［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為分離出來的復合同步、IR_FS為分離出來的場同步，直接輸出至FPGA進行處理。

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，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字脈沖展寬設計，就是通常所說的行、場信號整形。

在FPGA設計中，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，用作數字脈沖擴展的輸入，電路如圖3所示。該部分設計成一個模塊為FS_TQ。

圖3 采用延遲相異或提取FS同步信號的下降沿

而數字脈沖擴展，采用Verilog語言設計，如下所示，負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設計的電路輸出脈沖寬度整形，不受環境溫度的影響，也不像通過54LS221等器件設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 視頻同步與系統時統信號的計數比較設計

上述視頻檢測電路設計中，當視頻出現干擾時，視頻信號同步分離器會出現干擾信號，尤其是電視、紅外沒有加電開機、視頻線無驅動負載時，經過長線傳輸穿越導電滑環的視頻線相當于一個天線，在轉臺轉動過程中，大量的干擾引起同步分離器輸出錯誤的不規則的行、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加電，但不規則的行、場信號時有時無，最后導致誤判電視/熱像儀故障。為此，在設計中增加了一種與系統的時統相比較，進行選擇、判斷的抗干擾電路，如圖4所示，模塊FS_DEC即為計數、比較、抗干擾電路。

圖4 FPGA內部電路圖

紅外場同步信號輸入后，經過模塊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、比較模塊，選擇輸出至DSP中斷，軟件計數處理后，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、系統時統信號也為50 Hz，因此在同步分離及整形的基礎上，采用對已經整形好的紅外場同步信號與系統的時統信號比較來進行抗干擾設計，由于系統的時統信號(50 Hz)上電后是一直存在，當紅外場同步信號與50 Hz系統時鐘在固定時間段內計數相差大于一定值時，可判讀紅外視頻存在丟失。

如圖5所示，FPGA內FS_DEC模塊的底層電路圖，對紅外場同步及系統時鐘以5.12 s為間隔進行計數，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，計數值不更新或者更新值與系統時鐘計數相比停滯或差值增加時，判斷紅外視頻丟失或存在丟幀，進而也可以判斷紅外熱像儀是否加電。這樣，通過對中斷信號進行抗干擾處理，避免了不規則干擾信號對于視頻是否丟失判斷的影響，提高設備的抗干擾能力和設備的可靠性。

圖5 計數比較模塊FS_DEC的電路圖

3 時序仿真和試驗驗證

針對上述模塊設計，仿真了設計波形，如圖6所示，當輸入紅外場同步信號頻率及幅值特征正常時，產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為當輸入紅外場同步信號紊亂，產生的IR_OUT及INT2信號，很明顯，盡管干擾信號對也產生了個別整形的場同步信號，但由于進入DSP的中斷信號進行了計數比較選擇，濾除了不規則的信號，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;轉動轉臺，電磁干擾不再對電視、紅外視頻正常與否的判斷造成影響，很好地提高了設備的可靠性。

4 結語

在電視/紅外視頻信號檢測過程中，采用FPGA設計電視/紅外視頻檢測電路，簡化了電路設計。經試驗驗證，能正確檢測電視、紅外信號是否正常，并解決了轉臺轉動產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.視頻調理器MAX7452在電視/紅外視頻跟蹤儀中的應用［J］. 電視技術，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.