EPM570在視頻采集中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1 引言

   經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使著人們不斷地提高安防意識(shí)，當(dāng)傳統(tǒng)的本地模擬監(jiān)控方式逐漸不能滿足某些行業(yè)大范圍、遠(yuǎn)距離監(jiān)控的需求，如銀行跨地區(qū)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)將圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)募斜O(jiān)控方式應(yīng)運(yùn)而生。

   基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入視頻監(jiān)控系統(tǒng)按照功能可劃分為視頻采集、視頻壓縮、視頻傳輸三個(gè)模塊。隨著嵌入式處理器性能的不斷提高，基于軟件的壓縮技術(shù)逐漸取代了基于專用視頻壓縮芯片的硬件壓縮技術(shù)，成為了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展主流。由于基于軟壓縮的系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的采集工作應(yīng)盡可能少地占用處理器時(shí)間，使得處理器能將更多時(shí)間投入視頻壓縮算法，提高系統(tǒng)性能，因此視頻數(shù)據(jù)采集模塊效率高低、采集到的圖像分辨率大小將直接關(guān)系到整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的效果與性能。

2 視頻采集結(jié)構(gòu)

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換

  為了獲得更好的通用性，本系統(tǒng)選取CVBS(復(fù)合電視廣播信號(hào))或者S-Video(亮色分離信號(hào))作為視頻源輸入，采用性價(jià)比較高的Philips SAA7113作為視頻ADC。SAA7113具有4路模擬信號(hào)輸入，輸出8位數(shù)字信號(hào)VP0～VP7；輸出兩路參考信號(hào)RTS0～RTS1，通過FC總線設(shè)置內(nèi)部寄存器可分別配置成水平參考信號(hào)(HREF)、垂直參考信號(hào)(VREF)或者奇偶場(chǎng)同步信號(hào)，需要指出的是SAA7113輸出的數(shù)字信號(hào)是以27 MHz的LLC時(shí)鐘為同步信號(hào)，即每個(gè)LLC周期內(nèi)有1個(gè)字節(jié)輸出(下降沿有效)。我國(guó)采用的是50 Hz PAL電視信號(hào)，每秒25幀圖像，每幀625行，其中576行有效(當(dāng)VREF為高電平時(shí))，每行864個(gè)像素，其中720個(gè)像素有效(當(dāng)HREF為高電平時(shí))，即每幀圖像的實(shí)際分辨率為720×576。SAA7113按奇偶場(chǎng)輸出，每場(chǎng)288有效行，每行720有效像素，視頻格式按照YUV4：2：2,即每行1 440 Byte，每場(chǎng)405 KB，每幀810 KB。

2.2 視頻緩存

  由于視頻數(shù)據(jù)不斷地輸出，如果讓處理器不間斷地讀取數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實(shí)的，必須要有適當(dāng)?shù)木彺媸沟锰幚砥鹘?jīng)過一段時(shí)間后讀取緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)。SAA7113是以場(chǎng)為單位輸出視頻數(shù)據(jù)的，因此最合適的緩存大小為1場(chǎng)即405 KB。參考乒乓切換的思想，給出詳細(xì)的緩存設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

   如圖1所示，整個(gè)緩存結(jié)構(gòu)由切換控制電路和兩塊8 bit 512 KB SRAM組成。奇數(shù)場(chǎng)時(shí)，切換控制電路將SAA7113輸出的視頻數(shù)據(jù)寫入奇場(chǎng)SRAM，同時(shí)處理器將取出緩存在偶場(chǎng)SARM中的偶場(chǎng)數(shù)據(jù)；偶數(shù)場(chǎng)時(shí)，將SAA7113輸出的視頻數(shù)據(jù)寫入偶場(chǎng)SRAM，同時(shí)處理器將取出緩存在奇場(chǎng)SRAM數(shù)據(jù)。切換控制電路可由標(biāo)準(zhǔn)邏輯構(gòu)成，也可由CPLD或者FPGA編程實(shí)現(xiàn)，考慮到時(shí)序控制及成本問題，使用CPLD實(shí)現(xiàn)切換電路為最佳方案。

3 MAX II系列器件

  Altera推出的MAX II器件系列基于突破性的新型CPLD架構(gòu)，是目前業(yè)界成本最低的CPLD。MAX II器件還將成本和功耗優(yōu)勢(shì)引入了高密度領(lǐng)域，使設(shè)計(jì)者可以采用MAX II器件替代高成本或高功耗的ASSP和標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件。

3.1 MAX II器件優(yōu)點(diǎn)

MAX II系列器件主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

成本優(yōu)化的架構(gòu)。四倍的密度，一半的價(jià)格(和上一代MAX器件相比)。以最小化裸片面積為目標(biāo)的架構(gòu)，業(yè)界單個(gè)I／O引腳成本最低；

低功耗。十分之一的功耗(和3.3 V MAX器件相比)。1.8 V內(nèi)核電壓以減小功耗，提高可靠性。

支持內(nèi)部時(shí)鐘頻率高達(dá)300 MHz：兩倍的性能(和3.3 V MAX器件相比)；

內(nèi)置用戶非易失性Flash存儲(chǔ)器。通過取代分立式非易失性存儲(chǔ)器件減少元件數(shù)；

實(shí)時(shí)在系統(tǒng)可編程能力(ISP)。器件在工作狀態(tài)時(shí)能夠下載第二個(gè)設(shè)計(jì)，降低遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)的成本；

片內(nèi)電壓調(diào)整器支持3.3 V、2.5 V或1.8 V電源輸入。減少電源電壓種類，簡(jiǎn)化單板設(shè)計(jì)；

多電壓提供能力和外部器件在1.5 V、1.8 V、2.5 V或3.3 V邏輯級(jí)的接口。施密特觸發(fā)器、回轉(zhuǎn)速率可編程以及驅(qū)動(dòng)能力可編程提高了信號(hào)完整性。

Altera提供免費(fèi)的Quartus II基礎(chǔ)版軟件，支持所有MAX II器件，它是基于MAX II器件引腳鎖定式裝配和性能優(yōu)化而設(shè)計(jì)的。

3.2 EPM570T144C5

本系統(tǒng)采用的切換電路邏輯相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而所需要的GPIO較多，同時(shí)為了與SRAM及處理器電壓匹配，所以選用核心電壓3.3 V、144引腳(其中116個(gè)GPIO)的EPM570T144C5作為實(shí)現(xiàn)控制電路的CPLD。

EPM570T144C5內(nèi)部有570個(gè)邏輯單元(Logic Element)，相當(dāng)于440個(gè)宏單元(Macrocell)，此前常用的EPM7128只有128個(gè)宏單元。EPM570T144C5內(nèi)部分為兩個(gè)I／O bank，共116個(gè)通用I／O，引腳延時(shí)為8.8ns。滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 具體實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)選用IS61LV5128AL為緩存使用的SRAM，該器件容量為8 bit 512 KB，有8條地址線(I／O0～I(xiàn)／O7)、19條地址線(A0～18)、片選使能CE(低電平有效)、輸出使能OE(低電平有效)、寫使能WE(低電平有效)。由于兩片SRAM需要一直工作，且當(dāng)寫有效時(shí)(WE低電平)是輸出使能無(wú)效，所以CE與OE可一直保持低電平，寫控制由CPLD生成。

4.1 SRAM地址線控制

寫緩存的地址由LLC計(jì)數(shù)生成，但不是每個(gè)LLC都包含有效數(shù)據(jù)需要和HREF及VREF相與形成，在Quartus II中采用原理圖編輯方式對(duì)SRAM地址進(jìn)行控制，具體如圖2所示。

圖2中主要包括2個(gè)19位計(jì)數(shù)器及4個(gè)19位三態(tài)緩沖門，其中HREF／VREF由SAA7113中的RTS0／RTS1配置形成，ODD(奇場(chǎng)指示信號(hào))由VREF計(jì)數(shù)2分頻形成，EVEN(偶場(chǎng)指示信號(hào))由ODD取反得到，這樣可免去對(duì)HREF計(jì)數(shù)，然后丟棄消隱行的過程，同時(shí)得到了HREF、VREF及ODD三個(gè)參考同步信號(hào)。圖中ODD_CS及EVEN_CS是由ODD及EVEN和CPU片選信號(hào)CS構(gòu)成。奇數(shù)場(chǎng)時(shí)，偶場(chǎng)計(jì)數(shù)器清零，奇場(chǎng)計(jì)數(shù)器工作形成的地址通過緩沖門連接至奇場(chǎng)SRAM，同時(shí)若有CPU片選信號(hào)將會(huì)選通偶場(chǎng)SRAM，CPU的19位地址線將連接至偶場(chǎng)SRAM，偶數(shù)場(chǎng)時(shí)則反之。

4.2 SRAM數(shù)據(jù)控制

數(shù)據(jù)線控制電路主要由4個(gè)8位三態(tài)緩沖門組成，如圖3所示。其中VP0～VP7為SAA7113的8位數(shù)據(jù)輸出，其原理與地址線控制電路類似。寫控制電路由2個(gè)4輸入或門構(gòu)成，其中nHREF及nVREF由HREF、VREF取非得到，實(shí)現(xiàn)只有在有效數(shù)據(jù)時(shí)才形成寫使能WE。

5 系統(tǒng)仿真

從圖4所示的Quartus II時(shí)序分析中可以看出LLC與ODD_nWE的延遲為8.8 ns，ODD_nWE與計(jì)數(shù)器生成的地址線的時(shí)間間隔為10 ns，即地址線的生成與LLC上升沿的時(shí)延為18.8 ns，由于LLC為27 MHz半個(gè)周期為18.5 ns，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)正好滿足SAA7113輸出數(shù)據(jù)在LLC的下降沿開始有效。兩片SRAM地址信號(hào)SRAM0_Add、SRAM1_Add以及SRAM寫信號(hào)ODD_nWE、ENEN_nWE隨著場(chǎng)同步信號(hào)ODD交替出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了高效的乒乓切換混存結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用EPM570與兩片512 KB SRAM實(shí)現(xiàn)視頻采集系統(tǒng)，相較于采用雙口RAM、高速FIFO的緩存結(jié)構(gòu)不僅價(jià)格低廉，能在時(shí)序上進(jìn)行控制，還能獲得720×576的實(shí)際有效分辨率，緩存效率高，占用處理器資源少。為處理器進(jìn)一步進(jìn)行視頻壓縮提供了有力的保障。