視頻圖像采集系統(tǒng)的設計研究

中原電子集團有限公司 周緒兵

視頻圖像采集系統(tǒng)應該完成視頻信號從前期采集到存取和PC機之間的通信，以及DSP處理并且在PC機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，所以在視頻信號的采集中使用視頻信號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雜程度，也降低設計的成本。

2.數(shù)據(jù)的采集與存儲方案擬訂

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接口的實現(xiàn)方案選擇

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

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，用一個嵌入了niosⅡ軟核的FPGA來實現(xiàn)對SAA7113H的初始化和圖像幀的存取控制，PCI接口電路實現(xiàn)和PC機之間的高速通信。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)中的應用

1.SAA7113H主要功能特點

SAA7l13H是一款功能強大且操作簡單的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)成應用系統(tǒng)。它內(nèi)部包含兩路模擬處理通道，能實現(xiàn)視頻信號源選擇、抗混疊濾波、MD轉(zhuǎn)換、自動箝位、自動增益控制(AGC)、時鐘發(fā)生(CGC)、多制式解碼、亮度/對比度/飽和度控制(BCS)和多標準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，就設置SAA7113H內(nèi)部寄存器進入正常工作狀態(tài)。接口所有的控制邏輯都在一塊FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。

視頻采集控制器根據(jù)SAA7ll3H的同步信號LLC、RTSO、RTS1在內(nèi)部產(chǎn)生對幀存儲器的地址信號A[18：0]、寫信號WR以及幀切換信號之一(RDY1)。視頻采集控制器產(chǎn)生的地址信號、寫信號和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RDY1、RDY2與運算的結(jié)果進行接口轉(zhuǎn)換：當一幀圖像存入幀存儲器時，幀切換的兩個必要條件之一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，當兩者同時為真時，切換兩通道的連接，開始新的一個圖像采集處理過程，同時RDY1、RDY2復位，為下一次切換作準備。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接口電路設計

PCI接口電路就是用來實現(xiàn)本系統(tǒng)和PC機之間實現(xiàn)大量復雜的數(shù)據(jù)快速傳輸。然而利用FPGA模塊來實現(xiàn)就大大的減少了系統(tǒng)硬件電路的設計，這樣為整個設計節(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來實現(xiàn)PCI總線接口，在大量的軟件設計后，F(xiàn)PGA芯片直接生成幾個PCI接口引腳，所以它的關鍵在于軟件的設計。軟件編程時主要使用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系統(tǒng)的運行速度。

采用Cyclone系列的EP1C12器件完成設計，該器件共有12060個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)模螾CI協(xié)議2.2。實際電路在WIN2000操作系統(tǒng)下運行，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到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接口模塊實現(xiàn)了簡化的33MHz工作時鐘、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；還負責遵循PCI協(xié)議2.2與PCI總線通信，實現(xiàn)接口芯片的即插即用。DMA控制模塊負責接收計算機的DMA請求，接管總線控制權(quán)，以DMA方式將計算機存儲器的數(shù)據(jù)以塊方式讀出并寫到連接本地總線的存儲器，DMA結(jié)束后發(fā)出中斷通知計算機，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傳輸實現(xiàn)方法加以闡述。本地總線接口模塊負責根據(jù)本地總線的協(xié)議，同步DMA控制模塊對其操作，因為它的功能實現(xiàn)隨具體采用的本地總線的不同而變化，故這里不作詳細說明。

四、niosⅡ嵌入式核設計

嵌入式系統(tǒng)(Embedded Systems)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可剪裁(可編程，可重構(gòu))的專用計算機系統(tǒng)。它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)自其誕生以來已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的風風雨雨。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光，制造標準化但應用定制化是這個階段的明顯特征，而2007年后，用戶可重構(gòu)和可自動配置的SOC和SIP將成為下一個嵌入式系統(tǒng)核心技術發(fā)展階段的主流。

五、小結(jié)

本系統(tǒng)硬件電路設計簡單，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芯片上來實現(xiàn)，大大降低了系統(tǒng)的成本。由于運用了嵌入式的FPGA設計，系統(tǒng)具有設計靈活，數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點，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接口電路的設計很好的解決了視頻采集系統(tǒng)和PC機之間的高速通信問題。這種設計不但可以運用在視頻如圖象采集系統(tǒng)，還可以大量的運用在數(shù)據(jù)采集的其他領域。

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

[2]孔祥剛,諸靜,陽濤.SAA7113H在視頻采集接口設計中的應用[J]電子技術,2003(12):26-30.

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

[4]王行,李衍.EDA技術入門與提高[M].西安:西安電子大學出版社,2005.

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

[6]鄭容.基于FPGA的圖像采集與預處理系統(tǒng)設計[D].武漢:武漢理工大學,2009.