基于FPGA的紅外圖像存儲與回放系統(tǒng)設計
目前，紅外熱像儀應用廣泛，多用于偵查或監(jiān)控，并且大部分紅外熱像儀并沒有配備大容量存儲器，但在一些特殊場合如導彈發(fā)射試驗中的跟蹤導彈的飛行軌跡，需要記錄整個過程，以備事后分析。因此，基于系統(tǒng)設計體積和功耗考慮，這里提出一個基于FPGA的視頻圖像存儲與回放系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)采用16片1 GB NAND Flash，紅外熱像儀輸出的每場320x240個像素點，場頻50 Hz，16 bit的不壓縮數(shù)字視頻圖像并保持至少30 min。為了擴展數(shù)據(jù)存儲量，該系統(tǒng)還配備USB通信接口，便于將記錄數(shù)據(jù)上傳至計算機，或?qū)⒂嬎銠C保存數(shù)據(jù)下載到該系統(tǒng)播放。
2 系統(tǒng)硬件設計
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進行存儲，播放時讀取數(shù)據(jù)并按特定時序送至視頻D／A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送至電視機。USB單片機除與計算機傳輸數(shù)據(jù)外，還可通過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)部各模塊邏輯復雜，尤其是在視頻回放時需要多種控制方式，如暫停、快進快退、慢放慢退、逐場播放回放等，實現(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15萬門，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標準的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換為標準的PAL/NTSC制的全電視信號，轉(zhuǎn)換精度為10 bit，采用單一27MHz的時鐘源，SNR最高達80 dB，其內(nèi)部D／A轉(zhuǎn)換器的獨立開關可降低系統(tǒng)功耗。
根據(jù)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲順序進行操作，其存儲器選用K9K8G08IJOM型NAND Flash。該器件的容量為8 Gbit，是由8 192個塊組成，每塊由64頁組成，8位I／O總線作為命令、地址、數(shù)據(jù)總線分時復用。
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采用增強型805l，具有更快的運行速度；簡單易用的可編程邏輯接口(GPIF)為外部的FPGA提供無縫連接四；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)，存儲數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA只能對一片F(xiàn)lash操作，又因為Flash的頁編程時間過長(最大為700μs)，所以存儲時應在寫完第一片F(xiàn)lash的第一頁后接著寫第二片F(xiàn)lash，當輪詢完其余15片F(xiàn)lash后再回寫第一片F(xiàn)lash的第二頁，這樣可免去頁編程等待時間，如圖2所示。另外還需考慮：寫完15片F(xiàn)lash的page0的最短時間為25 ns(Flash的最小讀數(shù)周期)×2 048(每頁2 K字節(jié))×15(片)=768μs，該時間大于頁編程時間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的頁編程已結(jié)束，這樣則不會造成數(shù)據(jù)丟失。
視頻回放時要考慮Flash與ADV7175A之間的讀數(shù)速度匹配問題。最壞情況下：ADV7175拾取數(shù)據(jù)時鐘是13．5 MHz如圖3所示。假設每個時鐘周期都是有效數(shù)據(jù)，F(xiàn)lash的讀數(shù)時鐘周期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的頁讀緩沖時間tMAX=20μs，即每讀取2 K字節(jié)需等待時間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，即在記錄時將不同時間段記錄的內(nèi)容予以分段和標記；而在播放時保證每場圖像的各像素點要嚴格對齊，否則會造成圖像錯位。若要防止這種情況發(fā)生，可在記錄時在每場圖像數(shù)據(jù)前加一個字0xAA55作為場標志，由于每場圖像的數(shù)據(jù)量為320x240x2=153 600(字節(jié))，在加入場標志后的數(shù)據(jù)流如圖4所示。這樣設計的優(yōu)點在于：
(1)在快進、快退播放時，F(xiàn)lash跳地址后可檢測該標志重新調(diào)整圖像，另外也為數(shù)據(jù)上傳后，上位機軟件播放提供方便。
(2)加入場標志可實現(xiàn)多段記錄。由于存儲時確保每段視頻數(shù)據(jù)的首字節(jié)都寫入Flash_0的block_x(x表示block地址號)的page0的首地址，如圖2中‘·’。在上電后信息掃描時只需掃描Flash_0的各block中page0的前個字節(jié)，如果是0xAA和0x55則表明新記錄段，如果不是則再讀取后2個字節(jié)。如果連續(xù)4個block中page0的前4個字節(jié)都是0xFF，則表明已掃描所有段，此時應將段總數(shù)和存儲器的已用空間以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等發(fā)送至單片機進而送到LCD顯示。
2．3 ADV7175與FPGA的接口設計
CCIR一601標準規(guī)定，在數(shù)字編碼時，不使用A／D轉(zhuǎn)換的整個動態(tài)范圍，只給亮度信號分配220個量化級，黑電平對應于量化級16，白電平對應于量化級235，為每個色差信號分配224個量化級，色差信號的零電平對應于量化級128，如圖5所示。即每個樣本點亮度信號占220級，色度信號占225級。
由于紅外熱像儀提供的數(shù)據(jù)是16位灰度值而無色度值，所以應將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，播放時需將16位的亮度信號轉(zhuǎn)換為8位再送入ADV7l75A。
3 FPGA邏輯設計
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，用于掃描無效塊和記錄段，計算Flash已用空間和剩余空間及對Flash的擦除和讀寫操作；信息記錄表負責記錄Flash控制器傳送的無效塊號及已記錄的段總數(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，因為ADV7175A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時序，主要的控制信號是行同步信號(Hsync)和場同步信號(Vsync)；FIF01和FIF02作為數(shù)據(jù)緩沖模塊；TO一68013模塊可在系統(tǒng)與計算機通信時互換TO一68013A的數(shù)據(jù)；還可向68013A發(fā)送一些需要顯示的實時信息；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
該系統(tǒng)采用FPGA作為主控制器，對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)設計具有一定的靈活性。
下載文檔
