基于ECP3的視頻采集系統硬件設計

周劍敏 謝文雷 葛斌 陳虞蘇

摘 要：本文介紹了基于FPGA芯片ECP3-70的視頻采集系統硬件設計。CMOS傳感器MT9P031與FPGA芯片ECP3-70的BANK0連接，進行視頻采集。采集到的視頻數據通過千兆以太網物理層芯片88E1118R上傳至服務器。

關鍵詞：ECP3-70 MT9P031 88E1118R

中圖分類號：TN941.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0012-02

目前視頻采集系統種類非常多，各有各的用途[1]。本文設計一種用較少芯片構成的、體積小型化，用于狹窄空間的高清視頻采集傳輸系統。

1 系統構成

基于ECP3-70的視頻采集系統如圖1所示。系統采用LATTICE公司的FPGA芯片ECP3-70作為主控芯片。該芯片擁有67K LUTs，4320 Kbit系統存儲器，4420 Kbit嵌入式存儲器，145 Kbit分布式存儲器，128個18×18乘法器，10個PLL，8個BANK、380個I/O。同時LATTICE擁有豐富的IP資源[2]。ECP3-70比較適合用在集成化要求高的場合。

視頻采集系統的數據存儲器采用2片EDE1116ACBG構成。該芯片是DDR2存儲芯片，空間大小8 M×16 bit，1.8 V支持電壓，800 Mbps吞吐率[3]。FPGA配置FLASH采用W25Q64構成。該芯片容量為64 Mbit，SPI接口，2.7～3.6 V電源電壓[4]。關鍵數據保存的EEPROM采用AT93C65構成，容量為4 Kbit，三線串行接口，2M時鐘速率，2.7～5.5 V電源電壓[5]。

系統的工作過程如圖1所示。系統上電，ECP3-70從W25Q64中讀取程序數據碼流，啟動自身按程序工作。ECP3-70通過I2C接口配置CMOS傳感器MT9P031，控制MT9P031獲取視頻數字信號。采集到的視頻數據通過ECP3-70的I/O口獲取，按乒乓存儲結構存放在EDE1116ACGB中。ECP3-70從AT93C56中讀取視頻配置信息，配置從存儲器中讀出的原始視頻數字信號。ECP3-70經過內嵌的千兆網MAC-IP核，控制千兆網物理層芯片88E1118R，把配置好的視頻數據信號，經千兆RJ45接口發送到指定服務器中。

2 MT9P031與ECP3-70的連接

MT9P031與ECP3-70的連接時，在硬件上需要考慮時序、速率和電平問題。MT9P031芯片的寄存器配置時序為I2C時序。MT9P031的視頻數據輸出為12位并行輸出，同步時鐘為像素時鐘、行同步信號、幀同步信號。即按照像素時鐘的頻率輸出一個12位數據表示的像素；按照行同步信號時鐘的頻率輸出一行像素；按照幀同步信號時鐘頻率輸出一幀像素[6]。ECP3-70作為FPGA芯片，可以在內部使用VHLD語言或VERILOG語言編寫程序，使得FPGA和MT9P031的I2C時序、像素時序完全匹配。

MT9P031的I2C最大時鐘頻率為400 kHz，像素時鐘頻率為96 MHz。ECP3-70的時鐘頻率可超300 MHz，滿足MT9P031任何速率要求。

MT9P031有2種供電電壓，分別為1.8 V和2.8 V，本系統選用2.8 V。MT9P031的I/O和ECP3-70的BANK0連接，ECP3-70的BANK0支持電源電壓選擇為2.5 V。MT9P031和ECP3-70的I/O口電平對比如表1所示。由表1表示中可見MT9P031在電平特性上完全可以和ECP3-70實現無縫連接。

由此可見MT9P031的所有數據接口可以和ECP3-70的BANK0的I/O直接連接在一起（見表1）。

3 88E1118R與ECP3-70的連接

千兆以太網物理層芯片88E1118R與ECP3-70的連接同樣要考慮接口的速率、時序和電平特性。由于ECP3-70已經把BANK0連接到CMOS傳感器MT9P031上了，所以把ECP3-70的BANK7和88E1118R連接。

88E1118R的GMII接口時鐘速率為125 MHz，時鐘上升沿和下降沿同時鎖定4位數據，由此GMII的速率可以達到1Gbps[7]。顯然ECP3-70的I/O是能夠滿足GMII接口的速率和時序需要的。同時ECP3-70給BANK7的I/O接口供電為3.3 V，和8831118R的供電電源一致。ECP3-70在內嵌千兆網MAC-IP核的情況下，完全能控制88E1118R，形成千兆網鏈路。

4 結論

基于ECP3的視頻采集系統設計完成后，PCB面積不大于75 mm×75 mm。若是把MT9P031和ECP3電路分開制成2塊PCB，則每塊PCB不大于50 mm×50 mm，完全可以用在對空間要求苛刻、數據傳輸率要求高的場合。基于ECP3的視頻采集系統設計具有很強的實用性，同時也具有一定的參考意義。

參考文獻

[1] 任志健，萬智萍，朱俊南，等.ARM嵌入式遠程視頻監控數據采集系統設計[J].計算技術與自動化[J].2013，2：100-110.

[2] Lattice Semiconductor Corporation. Lattice ECP3 Family Data Sheet[EB/OL].http：//www.latticesemi.com.

[3] Elpida Memory Inc.1G bits DDR2 SDRAM[EB/OL].http：//www.elpida.com.

[4] Winbond Inc.3V 64M-BIT SERIAL FLASH MEMEORY WITH DUAL/QUAD SPI&QPI[EB/OL].http：//www.winbond.com.

[5] ATMEL Corporation.3-Wire Serial EEPROs [EB/OL].http：//www.atmel.com.

[6] Aptina Imaging Corporation.1/2.5-Inch 5Mp CMOS Digital Image Sensor [EB/OL].http：//www.aptina.com.

[7] MARVELL Corporation.Alaska 88e1118r Technical Product Brief[EB/OL].http：//www.marvell.