基于ＦＰＧＡ技術的新型高速圖像采集

摘要：介紹了以FPGA為核心芯片的高速圖形采集系統,圖形采集頻率可達13.5MHz。在該系統中,還采用了PHILIP公司最新推出的視頻A/D芯片SAA7111,將電視信號轉換成數字信號,并由FPGA作為控制器將數字信號存入256KRAM,以便DSP芯片根據需要進行預處理,提取有用數據。

關鍵詞：FPGA A/D 視頻采集

現代的圖形采集技術發展迅速,各種基于ISA、PCI等總線的圖形采集卡已能在市場上買到,但是價格比較昂貴,并且處理功能簡單。對于特殊需要不能很好滿足,往往需要加上后續處理部分,這給特殊需要的用戶帶來了不便。采用現場可編程芯片及DSP處理芯片構成的圖像采集系統,可以根據不同的需要進行現場編程,具有通用性好、價格相對便宜等特點。

該系統采用PHILIP公司最新推出的視頻A/D芯片7111,將從CCD輸出的PAL制式的全電視信號轉換為數字信號,由FPGA作為采樣控制器將該八位數字信號存入片內RAM中,隨后可根據具體需要由DSP進行預處理,提取有用數據(數據量已很小),然后將所需結果經由ISA總線交給計算機處理,完成接口功能。圖1所示為采集系統方框圖。

1 視頻信號的A/D轉化

本文所研究的圖形對象是靜態的,要求采集512×512的灰度圖像,可采用CCD攝像機進行圖像采集。CCD的輸出為標準PAL制式,因此需要進行A/D轉化。

本系統采用的PHILIP公司的視頻A/D芯片SAA7111具有四路視頻輸入,抗混濾波、梳狀濾波都被集成到芯片內部,帶來了極大的方便。場同步信號VREF、行同步信號HREF、奇偶場信號RES1、像素時鐘信號LLC2都由管腳直接引出,省去了以往的時鐘同步電路的設計,可靠性也有所提高。系統內部鎖相環技術的集成使得可靠性和設計復雜度都有極大的降低。

在7111中有控制字可以直接控制行同步有效時間,因此可以省略行延遲電路。

2 邏輯控制部分

本系統的核心控制部分由一片FPGA芯片實現。由于FPGA芯片具有高速、高可靠性、開發周期短的特點,并且可以根據現場的需要進行編程、可擦寫多次,因而具有極大的方便性。隨著現代工藝的提高,芯片加工的成本有了極大的降低,可靠性也有保證,芯片的大小和功耗都有極大的降低,特別是3.3V的FPGA是現在廠商主推的產品,并且有繼續降低的趨勢。現代高技術的發展使得FPGA應用于電子設計中成為可能和必然趨勢。

基于FPGA技術的采樣控制器要產生眾多的控制信號。當微處理器發出采樣指令時,采樣控制器在此后到來的第一個幀同步信號到來時啟動采樣,并將這幀數據存放在SRAM中,采樣結束后向微處理器發出采樣結束ECO信號。采樣控制器主要實現三個邏輯功能：地址發生器;握手邏輯;RAM寫時序。

(1)地址發生器由計數器及一部分D觸發器和邏輯門組成。主要具有場延遲功能和地址發生功能。由于所采圖像為512×512的正方形(這是由于系統后續處理的需要),7111中的輸出信號為720×625的矩形,因此需要對7111信號進行行延遲和場延遲。

在數字量存入內存時,由于PAL制式的全電視信號為奇、偶場分離,因此可以巧妙利用奇偶信號RES1作為地址線。根據RES1為垂直地址的高位或為地址的最高位可使圖像在內存中的樣子如同一幅圖像或分為上下兩個半場分開的圖像,如圖2所示。

在存儲過程中可采用雙通道技術,即采用兩片內存同時存儲數據,則數據總線由八位升至十六位,可使對RAM寫時序的要求降低一半。當然這需要對7111輸出的數字信號進行數據鎖存,使得兩位數據能夠根據同一控制信號滿足RAM寫時序的要求,如圖3所示。