基于FPGA的紅外圖像存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    目前，紅外熱像儀應(yīng)用廣泛，多用于偵查或監(jiān)控，并且大部分紅外熱像儀并沒(méi)有配備大容量存儲(chǔ)器，但在一些特殊場(chǎng)合如導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)中的跟蹤導(dǎo)彈的飛行軌跡，需要記錄整個(gè)過(guò)程，以備事后分析。因此，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積和功耗考慮，這里提出一個(gè)基于FPGA的視頻圖像存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用16片1 GB NAND Flash，紅外熱像儀輸出的每場(chǎng)320x240個(gè)像素點(diǎn)，場(chǎng)頻50 Hz，16 bit的不壓縮數(shù)字視頻圖像并保持至少30 min。為了擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，該系統(tǒng)還配備USB通信接口，便于將記錄數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，或?qū)⒂?jì)算機(jī)保存數(shù)據(jù)下載到該系統(tǒng)播放。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，F(xiàn)PGA將接收的視頻數(shù)據(jù)編幀后送至Flash進(jìn)行存儲(chǔ)，播放時(shí)讀取數(shù)據(jù)并按特定時(shí)序送至視頻D／A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送至電視機(jī)。USB單片機(jī)除與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)外，還可通過(guò)I2C總線配置視頻D／A轉(zhuǎn)換器的寄存器以及顯示控制LCD模塊。

    考慮到該系統(tǒng)FPGA的內(nèi)部各模塊邏輯復(fù)雜，尤其是在視頻回放時(shí)需要多種控制方式，如暫停、快進(jìn)快退、慢放慢退、逐場(chǎng)播放回放等，實(shí)現(xiàn)這些控制需占用較多的邏輯資源，因此，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司的Spartan-IIE系列的XC2S-150E-6P0208，該器件內(nèi)部邏輯高達(dá)15萬(wàn)門，具有48 Kbit的Block RAM，可作為FIFO。
    視頻D／A轉(zhuǎn)換器選用ADV7175A，該器件是一款性能卓越的數(shù)字視頻編碼器。可將符合CCIR601 4：2：2標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的PAL/NTSC制的全電視信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度為10 bit，采用單一27MHz的時(shí)鐘源，SNR最高達(dá)80 dB，其內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器的獨(dú)立開(kāi)關(guān)可降低系統(tǒng)功耗。
    根據(jù)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順序進(jìn)行操作，其存儲(chǔ)器選用K9K8G08IJOM型NAND Flash。該器件的容量為8 Gbit，是由8 192個(gè)塊組成，每塊由64頁(yè)組成，8位I／O總線作為命令、地址、數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用。
    USB通信部分選用CY7C68013A。該器件是新一代高速EZ—USB FX2．內(nèi)部集成了USB 2．0收發(fā)器，其SIE(串行接口引擎)可工作在高速(480 Mh／s)傳輸速率下，具有USB2．0的全帶寬；CPU采用增強(qiáng)型805l，具有更快的運(yùn)行速度；簡(jiǎn)單易用的可編程邏輯接口(GPIF)為外部的FPGA提供無(wú)縫連接四；另外還具有其3．3 V的工作電壓和內(nèi)部集成的I2C總線控制器。
2．1 Flash讀寫速度的匹配
    由于16片F(xiàn)lash并聯(lián)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)PGA只能對(duì)一片F(xiàn)lash操作，又因?yàn)镕lash的頁(yè)編程時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(最大為700μs)，所以存儲(chǔ)時(shí)應(yīng)在寫完第一片F(xiàn)lash的第一頁(yè)后接著寫第二片F(xiàn)lash，當(dāng)輪詢完其余15片F(xiàn)lash后再回寫第一片F(xiàn)lash的第二頁(yè)，這樣可免去頁(yè)編程等待時(shí)間，如圖2所示。另外還需考慮：寫完15片F(xiàn)lash的page0的最短時(shí)間為25 ns(Flash的最小讀數(shù)周期)×2 048(每頁(yè)2 K字節(jié))×15(片)=768μs，該時(shí)間大于頁(yè)編程時(shí)間700μs，即寫完其余15片F(xiàn)lash的page0后，再回寫第一片F(xiàn)lash的pagel，而第一片F(xiàn)lash的頁(yè)編程已結(jié)束，這樣則不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。

    視頻回放時(shí)要考慮Flash與ADV7175A之間的讀數(shù)速度匹配問(wèn)題。最壞情況下：ADV7175拾取數(shù)據(jù)時(shí)鐘是13．5 MHz如圖3所示。假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘周期都是有效數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash的讀數(shù)時(shí)鐘周期TR最小值為25 ns，即極限讀數(shù)速度為：fMAX=1／25 ns=40 MHz>13．5 MHz，滿足系統(tǒng)要求。但Flash的頁(yè)讀緩沖時(shí)間tMAX=20μs，即每讀取2 K字節(jié)需等待時(shí)間20μs(最大值)。要滿足數(shù)據(jù)的連續(xù)性，需在Flash和ADV7175之間建立緩沖模塊，則采用l KB的深度足以滿足系統(tǒng)要求。

2．2 多段記錄和選段播放
    為了方便操作和觀察，系統(tǒng)具備選段播放功能，即在記錄時(shí)將不同時(shí)間段記錄的內(nèi)容予以分段和標(biāo)記；而在播放時(shí)保證每場(chǎng)圖像的各像素點(diǎn)要嚴(yán)格對(duì)齊，否則會(huì)造成圖像錯(cuò)位。若要防止這種情況發(fā)生，可在記錄時(shí)在每場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)前加一個(gè)字0xAA55作為場(chǎng)標(biāo)志，由于每場(chǎng)圖像的數(shù)據(jù)量為320x240x2=153 600(字節(jié))，在加入場(chǎng)標(biāo)志后的數(shù)據(jù)流如圖4所示。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：

    (1)在快進(jìn)、快退播放時(shí)，F(xiàn)lash跳地址后可檢測(cè)該標(biāo)志重新調(diào)整圖像，另外也為數(shù)據(jù)上傳后，上位機(jī)軟件播放提供方便。
    (2)加入場(chǎng)標(biāo)志可實(shí)現(xiàn)多段記錄。由于存儲(chǔ)時(shí)確保每段視頻數(shù)據(jù)的首字節(jié)都寫入Flash_0的block_x(x表示block地址號(hào))的page0的首地址，如圖2中‘·’。在上電后信息掃描時(shí)只需掃描Flash_0的各block中page0的前個(gè)字節(jié)，如果是0xAA和0x55則表明新記錄段，如果不是則再讀取后2個(gè)字節(jié)。如果連續(xù)4個(gè)block中page0的前4個(gè)字節(jié)都是0xFF，則表明已掃描所有段，此時(shí)應(yīng)將段總數(shù)和存儲(chǔ)器的已用空間以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等發(fā)送至單片機(jī)進(jìn)而送到LCD顯示。
2．3 ADV7175與FPGA的接口設(shè)計(jì)
    CCIR一601標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在數(shù)字編碼時(shí)，不使用A／D轉(zhuǎn)換的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，只給亮度信號(hào)分配220個(gè)量化級(jí)，黑電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)16，白電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)235，為每個(gè)色差信號(hào)分配224個(gè)量化級(jí)，色差信號(hào)的零電平對(duì)應(yīng)于量化級(jí)128，如圖5所示。即每個(gè)樣本點(diǎn)亮度信號(hào)占220級(jí)，色度信號(hào)占225級(jí)。

    由于紅外熱像儀提供的數(shù)據(jù)是16位灰度值而無(wú)色度值，所以應(yīng)將ADV7175A的低8位(P7~P0)輸入0x80，具體電路連接如圖6所示，高8位輸入亮度信號(hào)，播放時(shí)需將16位的亮度信號(hào)轉(zhuǎn)換為8位再送入ADV7l75A。

3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)
    圖7為FPGA內(nèi)部各邏輯功能模塊框圖。各模塊主要功能如下：RECV模塊根據(jù)紅外熱像儀提供的特定時(shí)序接收數(shù)據(jù)并編幀；Flash控制器控制16片F(xiàn)lash，用于掃描無(wú)效塊和記錄段，計(jì)算Flash已用空間和剩余空間及對(duì)Flash的擦除和讀寫操作；信息記錄表負(fù)責(zé)記錄Flash控制器傳送的無(wú)效塊號(hào)及已記錄的段總數(shù)和各段的起始地址與結(jié)束地址；灰度調(diào)節(jié)模塊將16位的灰度圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為8位，因?yàn)锳DV7175A最多可輸入8位灰度信息；PALl模塊控制ADV7175A；PAL2模塊生成原格式的行場(chǎng)時(shí)序，主要的控制信號(hào)是行同步信號(hào)(Hsync)和場(chǎng)同步信號(hào)(Vsync)；FIF01和FIF02作為數(shù)據(jù)緩沖模塊；TO一68013模塊可在系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)通信時(shí)互換TO一68013A的數(shù)據(jù)；還可向68013A發(fā)送一些需要顯示的實(shí)時(shí)信息；鍵盤的掃描及按鍵的去抖則由鍵值處理模塊完成．最后由CPU模塊協(xié)調(diào)各子模塊工作。

4 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)采用FPGA作為主控制器，對(duì)于不同分辨率的紅外圖像數(shù)據(jù)，只需修改FPGA中的RECV模塊和PAL模塊程序即可，因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的靈活性。