一種基于FPGA的紅外視頻采集系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹了一種基于FPGA技術(shù)的紅外視頻采集系統(tǒng)組成架構(gòu)，給出了各功能模塊的實(shí)現(xiàn)方法，包括主要的HDL代碼、SignaltapII波形以及QuartusII頂層原理，并制作電路板進(jìn)行調(diào)試，最終的紅外圖像通過VGA實(shí)時顯示。結(jié)果表明該系統(tǒng)能充分利用FPGA技術(shù)的優(yōu)勢，具有擴(kuò)展性好、控制靈活、開發(fā)周期短等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：FPGA；紅外視頻；VGA顯示

1 系統(tǒng)架構(gòu)
    紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)的FPGA部分由5個模塊組成，分別是I2C配置模塊、圖像采集模塊、YUV2RGB模塊、SRAM控制模塊、VGA控制模塊。配置模塊通過I2C總線來對ADV7181B芯片進(jìn)行配置。配置成功后，ADV7181B將產(chǎn)生圖像采集模塊所需的行場同步信號，并將紅外攝像頭輸入的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的NTSC／PAL制式，輸入到圖像采集模塊；圖像采集模塊用來提取YUV(BT656)圖像中的有效數(shù)據(jù)；YUV2RGB模塊將YUV圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RGB格式以供VGA顯示；VGA控制模塊用來產(chǎn)生D／A芯片(ADV7123)工作的同步信號、圖像數(shù)據(jù)，以及控制圖像數(shù)據(jù)從SRAM中讀出。紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 I2C配置模塊
    ADV7181B是Analog公司的一款應(yīng)用廣泛的視頻解碼芯片。該芯片自動監(jiān)測輸入的復(fù)合視頻信號，通過I2C總線配置接口，可選擇圖像輸出方式(NTSC／PAL等)，本文以輸出NTSC制式視頻圖像為例，給出了所需配置的寄存器地址和配置參數(shù)值，NTSC制式視頻圖像寄存器地址和配置參數(shù)值如表1所列。

    ADV7181B芯片作為I2C總線通信的從器件，其ALSB引腳電平的高低所對應(yīng)的器件地址是不同的，從器件讀寫地址如表2所列，本系統(tǒng)將ALSB引腳接地，寫地址設(shè)置為0x40，所有地址代碼用十六進(jìn)制表示。

2．2 圖像采集模塊
    NTSC默認(rèn)輸出的圖像為奇偶場交替輸出，數(shù)據(jù)信號和行場同步信號時序關(guān)系如圖2所示。奇偶場分別有253有效行，本文獲取其偶數(shù)場圖像用于傳輸和顯示。BT．656定義了一個并行的硬件接口，傳輸?shù)囊曨l圖像格式為YCbCr 4：2：2(Y為亮度信號，Cb、Cr分別為藍(lán)色信號分量和紅色信弓分量)。一行圖像數(shù)據(jù)的有效像素為720，一個像素占用兩個字節(jié)，格式為CbYCrYCbYCrY。本文采用每兩個像素即每輸出CbYCrY獲取一組CbYCr，這一組數(shù)據(jù)通過移位寄存器得到3路8位的并行數(shù)據(jù)送入YUV2RGB模塊，此時有效像素被壓縮成360個。720×525的圖像數(shù)據(jù)通過本模塊的采集，可傳送的有效像素為360×253。

    一行圖像數(shù)據(jù)的起始／結(jié)束(SAV／EAV)和所在數(shù)據(jù)幀的位置是根據(jù)BT656圖像格式(即根據(jù)檢測到的ADV7181B輸出數(shù)據(jù)序列“FF，00，00．xy”)來判斷的。奇數(shù)場的有效行起始時xy為0xC7，結(jié)束時xy為0xDA；偶數(shù)場的有效行起始時xy為0x80，結(jié)束時xy為0x9D。xy各位含義如表3所列。最高位bit7為同定數(shù)據(jù)1，F(xiàn)=0表示偶數(shù)場，F(xiàn)=1表示奇數(shù)場；V=0表示該行為有效視頻數(shù)據(jù)，V=1表示該行無有效視頻數(shù)據(jù)；H=0表示為SAV信號(行起始)，H=1表示為EAV信號(行結(jié)束)；低4位為保護(hù)信號。
    圖3為SignaltapII觀測到的圖像數(shù)據(jù)采集時序。hactive_even高電平期間為有效圖像數(shù)據(jù)采集階段，yuvdin為從ADV7181B輸出的8位并行圖像數(shù)據(jù)．當(dāng)“FF 0000 ε0”到來時，開始采集偶數(shù)場圖像的一行有效像素，其中黑線分隔的reg1、reg2、reg3為提取的3路即將送入RGB轉(zhuǎn)化模塊的圖像數(shù)據(jù)。
2．3 YUV2RGB轉(zhuǎn)化模塊
    VGA顯示器所需的圖像數(shù)據(jù)為RGB格式，所以需要對YCrCb進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化公式如下：
    R=1．1 64(Y-16)+1．596(Cr-128) (1)
    G=1．164(Y-16)-0．81 3(Cr-128)-0．392(Cb-128) (2)
    B=1．1 64(Y-16)+2．017(Cb-128) (3)
    浮點(diǎn)運(yùn)算需要大量的FPGA資源，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)采用查找表來簡少FPGA運(yùn)算量，將上式中5個不同的系數(shù)分量分別編寫查找表。為進(jìn)一步簡化運(yùn)算將(1)式兩邊乘以2，以式(1)為例，查找表如下：
   
    設(shè)a=2×1．1 64Y．b=2×1．596Cr式(1)簡化為：2R=a+b-446。若(a+b)>446，則R分量值為(a+b446)／2；若(a+b)<446，則R分量值為0。
    同理可算出G、B分量，即完成了YCrCb到RGB的轉(zhuǎn)化。由于SRAM數(shù)據(jù)線為16位，各取3路8位RGB分量的R信號(5位)，G信號(6位)，B信號(5位)寫入SRAM。當(dāng)RGB_wrdata為非零圖像數(shù)據(jù)時，將其寫入SRAM即實(shí)現(xiàn)了分辨率由720×525向360×250的轉(zhuǎn)化。
2．4 SRAM讀寫控制模塊
    當(dāng)寫入360×250的視頻流數(shù)據(jù)量所需的存儲空間為100KB時，由于FPGA內(nèi)部存儲資源有限，本系統(tǒng)通過外部SRAM來存儲圖像數(shù)據(jù)。SRAM所使用的型號為IS61LV25616，存儲空間為256K×16位，滿足圖像存儲需求。SRAM芯片工作不需要刷新，讀寫時序也不復(fù)雜，當(dāng)向SRAM寫入數(shù)據(jù)時先建立地址和數(shù)據(jù)，然后使能寫信號wr_n，在wr_n保持一定時間后將其復(fù)位，最后釋放地址總線和數(shù)據(jù)總線；當(dāng)從SRAM中讀出數(shù)據(jù)時，置wr_n為高電平，同時使能SRAM讀出信號，并建立地址。一幀圖像的偶場信號寫入SRAM的波形如圖4所示。

2．5 VGA控制模塊
    ADV7123是一個3路10位信號輸入的高速D／A芯片，采樣速度最高可達(dá)330MHz，可用于多種顯示系統(tǒng)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的VGA顯示模式640 ×480@60 Hz，VGA水平／垂直時序參數(shù)如表4、表5所列。

    VGA控制模塊產(chǎn)生ADV7123的工作時序，當(dāng)一幀圖像的偶數(shù)場寫入SRAM時，奇數(shù)場時間段則不再向SRAM中寫數(shù)據(jù)，而是從SRAM中讀出圖像數(shù)據(jù)，這樣即可實(shí)時傳輸圖像。為了實(shí)現(xiàn)圖像的完整性，640×480可顯示區(qū)域?yàn)?60×250，具體代碼如下：
   
    在VGA的有效顯示區(qū)域內(nèi)，將SRAM讀使能，地址自增，即可將圖像信號從SRAM中讀出。讀出的16位數(shù)據(jù)中，高5位為R信號分量，中間6位為G信號分量，低5位為B信號分量；將這3個分量賦給各自顏色分量的最高位，低位補(bǔ)零即得到VGA工作的RGB信號輸出。圖5為奇數(shù)場SRAM讀出地址時序。VGA控制模塊從SRAM中將圖像波形讀出，rd_period為高電平時讀出一幀圖像的偶數(shù)場，sram_rd_addr范圍為0～360×250。

3 硬件設(shè)計及實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．1 硬件設(shè)計
    FPGA芯片采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F484C6，它具有較高的性價比，內(nèi)部有33 216個邏輯單元，322個外部引腳、4個PLL、66個M4K RAM塊、8個I／O BANK。工作需要1．2 V電壓和3．3 V的I／O電平。本系統(tǒng)采用的芯片封裝為FBGA，PCB制板采用的是4層電路板。由于板子上使用了A／D、D／A數(shù)?；旌闲盘柕男酒?，要使電路板達(dá)到好的性能，就需要嚴(yán)格的遵守PCB布板規(guī)則：
    ①模擬復(fù)合視頻信號輸入到ADV7181B的走線要盡可能短，數(shù)據(jù)線和時鐘線也要盡可能短。
    ②在電源引腳附近添加去耦電容，濾波電容。
    ③對芯片的每個電源(AVDD、DVDD、DVDDIO、PVDD)分開供電。
    ④分隔數(shù)字部分和模擬部分，數(shù)字地和模擬地通過單點(diǎn)連接。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    將設(shè)計調(diào)試好的PCB電路板，接上電源、NTSC制式紅外攝像頭和VGA顯示器進(jìn)行聯(lián)調(diào)，紅外圖像實(shí)時顯示良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。調(diào)試結(jié)果證明了該圖像采集系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

結(jié)語
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該紅外實(shí)時采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定。該系統(tǒng)基于FPGA技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，可以靈活地根據(jù)需求配置系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、擴(kuò)展性好、成本低的特點(diǎn)，有較高的應(yīng)用價值。