一種基于FPGA技術的紅外視頻采集系統設計

1　系統架構

　　紅外視頻監測系統的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芯片進行配置。配置成功后，ADV7181B將產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合視頻信號轉化為標準的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)圖像中的有效數據；YUV2RGB模塊將YUV圖像數據轉化為RGB格式以供VGA顯示；VGA控制模塊用來產生D/A芯片(ADV7123)工作的同步信號、圖像數據，以及控制圖像數據從SRAM中讀出。紅外視頻監測系統框圖如圖1所示。

2　系統硬件設計

2.1　I2C配置模塊

　　ADV7181B是Analog公司的一款應用廣泛的視頻解碼芯片。該芯片自動監測輸入的復合視頻信號，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值，NTSC制式視頻圖像寄存器地址和配置參數值如表1所列。

圖1　紅外視頻監測系統結構框圖

表1　NTSC制式視頻圖像寄存器地址和配置參數值（十六進制）

表2　從器件讀寫地址

　　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的器件地址是不同的，從器件讀寫地址如表2所列，本系統將ALSB引腳接地，寫地址設置為0x40，所有地址代碼用十六進制表示。

2.2　圖像采集模塊

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

圖2　數據信號和行場同步信號時序關系


圖3　圖像數據采集時序

　　一行圖像數據的起始/結束（SAV/EAV）和所在數據幀的位置是根據BT656圖像格式（即根據檢測到的ADV7181B輸出數據序列“FF,00,00,xy”）來判斷的。奇數場的有效行起始時xy為0xC7,結束時xy為0xDA；偶數場的有效行起始時xy為0x80,結束時xy為0x9D。xy各位含義如表3所列。最高位bit7為固定數據1，F=0表示偶數場，F=1表示奇數場；V=0表示該行為有效視頻數據，V=1表示該行無有效視頻數據；H=0表示為SAV信號(行起始)，H=1表示為EAV信號（行結束）；低4位為保護信號。

表3　xy字節各位含義

　　圖3為SignaltapII觀測到的圖像數據采集時序。hactive_even高電平期間為有效圖像數據采集階段，yuv_din為從ADV7181B輸出的8位并行圖像數據，當“FF 00 00 80”到來時，開始采集偶數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轉化模塊的圖像數據。

2.3　YUV2RGB轉化模塊

　　VGA顯示器所需的圖像數據為RGB格式，所以需要對YCrCb進行轉化，轉化公式如下：
R=1.164(Y-16)+1.596(Cr-128)(1)
G=1.164(Y-16)-0.813(Cr-128)
-0.392(Cb-128)(2)
B=1.164(Y-16)+2.017(Cb-128)(3)

　　浮點運算需要大量的FPGA資源，進而影響系統性能，本系統采用查找表來簡少FPGA運算量，將上式中5個不同的系數分量分別編寫查找表。為進一步簡化運算將（1）式兩邊乘以2，以式(1)為例，查找表如下：
always @ (in)
case(in)
d0:out = 10d0;
d1:out = 10d3;
d2:out = 10d6;
d3:out = 10d10;
d4:out = 10d13;
d5:out = 10d16;
……
　　設a=2×1.164Y，b=2×1.596Cr式(1)簡化為：2R=a+b-446。若（a+b）>446，則R分量值為（a+b-446）/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的轉化。由于SRAM數據線為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RGB_wrdata為非零圖像數據時，將其寫入SRAM即實現了分辨率由720×525向360×250的轉化。

2.4　SRAM讀寫控制模塊

　　當寫入360×250的視頻流數據量所需的存儲空間為100 KB時，由于FPGA內部存儲資源有限，本系統通過外部SRAM來存儲圖像數據。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，讀寫時序也不復雜，當向SRAM寫入數據時先建立地址和數據，然后使能寫信號wr_n，在wr_n保持一定時間后將其復位，最后釋放地址總線和數據總線；當從SRAM中讀出數據時，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。

圖4　一幀圖像的偶場信號寫入SRAM的波形

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330 MHz，可用于多種顯示系統。本文采用標準的VGA顯示模式640×480@60 Hz，VGA水平/垂直時序參數如表4、表5所列。
表4　VGA水平時序參數

表5　VGA垂直時序參數

　　VGA控制模塊產生ADV7123的工作時序，當一幀圖像的偶數場寫入SRAM時，奇數場時間段則不再向SRAM中寫數據，而是從SRAM中讀出圖像數據，這樣即可實時傳輸圖像。為了實現圖像的完整性，640×480可顯示區域為360×250，具體代碼如下：

if(odd_period)//奇數場
begin
if(V_Cont>=Y_START V_ContY_START+250)//Y_START為圖像場消隱區
begin
if(H_Cont>=X_START H_ContX_START+360 )//X_START為圖像行消隱區
sram_rd_addr=sram_rd_addr+18b1;//SRAM數據讀出地址
else
sram_rd_addr=sram_rd_addr;
end

　　在VGA的有效顯示區域內，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位數據中，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，低位補零即得到VGA工作的RGB信號輸出。圖5為奇數場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場，sram_rd_addr范圍為0~360×250。

圖5　奇數場SRAM讀出地址時序

3　硬件設計及實驗結果

3.1　硬件設計

　　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數模混合信號的芯片，要使電路板達到好的性能，就需要嚴格的遵守PCB布板規則：

① 模擬復合視頻信號輸入到ADV7181B的走線要盡可能短，數據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 分隔數字部分和模擬部分，數字地和模擬地通過單點連接。

3.2　實驗結果

　　將設計調試好的PCB電路板，接上電源、NTSC制式紅外攝像頭和VGA顯示器進行聯調，紅外圖像實時顯示良好，實驗結果如圖6所示。調試結果證明了該圖像采集系統設計的正確性。

結語

　　實驗結果表明，該紅外實時采集系統工作穩定。該系統基于FPGA技術，結構簡單，可以靈活地根據需求配置系統，具有開發周期短、擴展性好、成本低的特點，有較高的應用價值。

圖6　實驗結果