摘要 構(gòu)建了以FPGA為核心芯片的高速圖像采集與處理系統(tǒng)，圖形采集頻率可達(dá)13．5 MHz在該系統(tǒng)中，采用了視頻A/D芯片SAA7111A將電視信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由FPGA作為控制器將數(shù)字信號存入SRAM中，以便進(jìn)行處理，提取有用數(shù)據(jù)；系統(tǒng)還采用了EZUSB2131Q芯片來進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)與PC機(jī)的傳輸．
關(guān)鍵詞 視頻圖像；信號處理；FPGA；VHDL；EZUSB；視頻A/D
傳統(tǒng)的基于ISA，PCI等總線的圖像采集卡已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛，但速度慢、處理功能簡單，對于特殊要求往往需要后續(xù)處理部分 因此，本文構(gòu)建了一種高速圖像采集系統(tǒng)它主要由FPGA(field programmable gate array)、視頻A/D芯片SAA7111A以及USB總線構(gòu)成．該系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行現(xiàn)場可編程，具有通用性好、成本低等優(yōu)點．在FPGA中利用硬件描述語言VHDL編程實現(xiàn)FPGA可以在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中取代單片機(jī)和DSP對數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行控制．
PHILIP公司的視頻A/D芯片SAA7111A具有四路視頻輸入，抗混濾波、梳狀濾波都被集成到芯片內(nèi)部，帶來了極大的方便，但系統(tǒng)內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)的集成使得可靠性和設(shè)計復(fù)雜度都有極大的降低．
CYPRESS的EZUSB2131QC芯片是針對USB 1．1協(xié)議開發(fā)的，兼容全速和低速傳輸，功能高度集成化．該芯片集成了一個增強(qiáng)型8051處理器、一個“智能型”串行接口引擎(SIE)、一個USB收發(fā)器、集成I2C總線控制器、片上RAM和FIFO．
1 圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)由視頻A/D芯片、FPGA控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊SRAM、EZUSB接口模塊和PC機(jī)應(yīng)用程序組成．FPGA程序用VHDL語言編寫．整體框圖如圖1所示．
2 視頻信號的A/D轉(zhuǎn)換
SAA7111A提供了 4個模擬輸入通道，可以編程選擇使用其中的一個或多個通道視頻信號輸入芯片后，一路經(jīng)過緩沖器從AOUT引腳輸出，這個信號作為視頻監(jiān)控信號，以檢測是否有視頻信號輸入；另外一路信號經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生數(shù)字色度信號和亮度信號，分別進(jìn)行亮度信號處理和色度信號處理．亮度信號處理的結(jié)果，一路送到色度信號處理器，以進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生灰度信號Y和UV信號，格式化后從數(shù)據(jù)線VPO[15：00]輸出，其中高8位為Y、低8位為UV；另一路進(jìn)入同步分離器，經(jīng)過PLL產(chǎn)生相應(yīng)的行同步信號HS和場同步信號VS，同時數(shù)字PLL驅(qū)動時鐘發(fā)生器模塊，從而產(chǎn)生視頻信號上作頻率為27MHz的LLC和13．5MHz的LLC2時鐘信號．
SAA7111A正常工作需要對內(nèi)部32個寄存器正確配置，通過I2C總線由EZUSB AN2131Q寫入SAA7lllA的內(nèi)部寄存器．
3 FPGA控制模塊
經(jīng)過對系統(tǒng)功能的分析和劃分，可以將設(shè)計劃分為若干個子模塊．每個子模塊通過內(nèi)部握手信號相互關(guān)聯(lián)并完成相對獨立的功能．最后將子模塊組合起來就能得到系統(tǒng)級的功能芯片．將FPGA劃分為以下幾個功能子模塊：輸入信號緩沖模塊、消除抖動模塊、SAA7111A接口模塊、SRAM接口模塊、實時插入結(jié)束標(biāo)識模塊、緩沖模塊FIF0、多路選擇器DATA-MUX、數(shù)據(jù)處理模塊DATA＿Proc等幾個部分，如圖2所示模塊之間通過中間信號進(jìn)行通訊，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和控制．
3．1 SAA-INTERFACE模塊
SAA_INTERFACE模塊的主要功能是接收來自SAA7111A的數(shù)據(jù)信號和狀態(tài)信號，實現(xiàn)FPGA與視頻A/D芯片SAA7111A的接口，并根據(jù)這些信號產(chǎn)生相應(yīng)像素灰度信息的存儲地址，在時鐘信號LLC2的控制下，完成數(shù)據(jù)在SRAM中的存儲寫入地址和讀出地址及對兩片SRAM進(jìn)行乒乓操作的指示信號的生成．
分析SAA7111A輸出的狀態(tài)信號的時序圖，可以分析得到以下結(jié)論：
(1)每行圖像共有864個像素，其中0～719為有效像素、720～863為水平消隱階段，在消隱期間的像素為無效像素．
(2)每行圖像起始條件是：場參考信號VREF為邏輯‘1’時，HREF產(chǎn)生一個上升沿．每行圖像結(jié)束條件是：HREF信號的出現(xiàn)下降沿當(dāng)VREF為邏輯‘0’狀態(tài)時，處于場消隱階段，此時為無效圖像．
(3)每幀圖像起始的條件是：RTS0為邏輯‘l’期間，VREF產(chǎn)生一個上升沿．而每幀圖像結(jié)束的條件是：RTS0為邏輯‘O’期間，VREF產(chǎn)生一個下降沿．
由于復(fù)合視頻信號CVBS是由隔行掃描的方式得到的，而計算機(jī)顯示器是逐行掃描來顯示圖像的，所以寫入SRAM的數(shù)據(jù)必須隔行寫入，而讀山SRAM的數(shù)據(jù)必須逐行讀出．讀取SRAM時，由于奇偶場已經(jīng)“隔行”寫入SRAM中，所以只需要逐行順序讀取即可．
3．2 SRAM_INTERFACE模塊
接口模塊SRAM_INTERFACE的主要功能是完成與SRAM存儲器的接口工作．由于采用了兩片SRAM，所以FPGA中的SRAM接口模塊也應(yīng)該有兩個，該模塊根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)做出判斷，從而對SRAM發(fā)出相應(yīng)的控制信號和地址信號，完成數(shù)據(jù)的寫入和讀出工作．
3．3 INSERT_FLAGS模塊
為了在上位機(jī)顯示所采集到的圖像，除了需要相應(yīng)的像素信息外，還必須提供行同步信號和、場同步信號本系統(tǒng)沒有另外提供專門的行同步信號、幀同步信號，而是通過在恰當(dāng)?shù)臅r刻插入標(biāo)識數(shù)據(jù)的方法來代替視頻流的行同步信號和幀同步信號．
INSERT_FLAGS模塊將在行結(jié)束時，將自定義的行結(jié)束標(biāo)識插入到數(shù)據(jù)流中；在幀結(jié)束時，將幀結(jié)束標(biāo)識插入到視頻流中，從而為上位機(jī)實現(xiàn)對圖像信息的再現(xiàn)和處理創(chuàng)造了方便條件．
3．4 DATA_MUX模塊
DATA＿M(jìn)UX模塊實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的流向的控制和數(shù)據(jù)處理工作．它接收來自SAA71llA的原始數(shù)據(jù)VPO和實時插入的行、幀結(jié)束標(biāo)識信號VP()_FLAGS，并產(chǎn)生最終的連續(xù)的含有場、幀結(jié)束標(biāo)識的數(shù)據(jù)流VPO_ALL，并控制VPO_ALL的流向．當(dāng)WRlRD2為邏輯‘1’時，VPO_ALL寫入SRAMl，同時將已經(jīng)存儲到SRAM2的數(shù)據(jù)讀出到DATA_Proc模塊中；當(dāng)WRlRD2為邏輯‘0’時，VPO_ALL的數(shù)據(jù)寫入SRAM2中，同時將SRAM1的數(shù)據(jù)讀出到DATA_Proc模塊中．
3．5 DATA_Proc數(shù)據(jù)處理模塊
DATA＿Proc模塊用于對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)項目要求，其上作主要是對信號進(jìn)行濾波和邊緣提取，從而提取有效數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)的傳輸量．為了減少工作量，采用了Xilinx公司的SystemGenerator軟件來設(shè)計這部分模塊．
System(Ceneratcor是Xilinx公司和Mathworks合作開發(fā)的FPGA輔助設(shè)計工具，只需在simulink中完成模型的搭建，啟動SystemGenerator，就能自動生成VHDL源程序及其他一些工程文件，并將系統(tǒng)模型映射到目標(biāo)器件FPGA上進(jìn)行硬件實現(xiàn)．
3．6 FIFO模塊
視頻信號進(jìn)入FPGA的時鐘為13．5 MHz，而USB接口芯片的時鐘為12MHz，兩者時鐘速率不匹配.這就出現(xiàn)了異步時序設(shè)計問題．由于需要進(jìn)行跨時鐘領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸，必須在FPGA和EZ_USB之間加入緩沖數(shù)據(jù)單元．這個緩沖器一般由異步First-In-First-Out(FIFO)實現(xiàn)．異步FIFO在每個寫時鐘時寫入數(shù)據(jù)，而用每一個讀時鐘時讀出數(shù)據(jù)，這兩個時鐘是異步的．
FIFO的工作原理是：在寫時鐘的上升沿，當(dāng)寫允許有效時，將寫數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中寫地址對應(yīng)的存儲單元中；而始終將讀地址對應(yīng)的雙口RAM中的數(shù)據(jù)輸出到讀數(shù)據(jù)總線上，在讀允許有效時，輸出數(shù)據(jù)．
4 EZUSB模塊
在系統(tǒng)中，EZUSB2131主要完成兩方面的工作：完成對SAA7111A的配置和基于快速同步傳輸方式的數(shù)據(jù)傳輸．
為了使視頻解碼芯片SAA7111A正常工作，必須通過I2C總線對其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行正確的配置，當(dāng)通過I2C配置SAA7111A時，寫入數(shù)據(jù)格式為：首先為起始信號，然后是7位的從機(jī)地址和方向位(‘0’表示寫入SAA7111A寄存器，‘l’表示讀出相應(yīng)寄存器)共8位數(shù)據(jù)，此時從機(jī)應(yīng)該向主機(jī)發(fā)送一位響應(yīng)信號．然后是從機(jī)中被寫入的寄存器的地址和從機(jī)的響應(yīng)信號，然后才是要寫入子地址寄存器的的數(shù)據(jù)，最后是結(jié)束信號．
USB總線支持4種數(shù)據(jù)傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、等時傳輸和塊傳輸．EZUSB系列的2131Q支持快速等時傳輸方式，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋瑧?yīng)用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠使FPGA內(nèi)部的FIFO模塊直接與EZUSB內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線通訊．
為了使用快速同步方式傳輸數(shù)據(jù)，需對2131進(jìn)行如下設(shè)置：
(1)能使SOF中斷，使51內(nèi)核能接受SOF中斷，從而保證1 ms傳輸一楨數(shù)據(jù)．
(2)本系統(tǒng)使用了等時傳輸IN8端點，所以須設(shè)置INISOVAL為“00000001”．
(3)設(shè)置IN8端點將使用的等時FIFO的大小為了加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，這里設(shè)置該FIFO的大小為1024．
(4)設(shè)置寄存器PORTACFG，設(shè)置PA口第4位和第5位復(fù)用功能．其復(fù)用功能是快速等時傳輸?shù)腇RD和FWR信號．
(5)設(shè)置寄存器FASTXFR，使能快速等時傳輸方式，設(shè)置nFRD低電平有效，并且設(shè)置了nFRD的寬度和相位．
為了響應(yīng)SOF中斷，需要在中斷響應(yīng)函數(shù)ISR＿Sof()中編寫數(shù)據(jù)處理程序，將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)部寄存器IN8DATA，另一方面清SOF中斷請求和USB中斷請求，以便程序能對下一個SOF做出正確的響應(yīng)．
5 PC機(jī)應(yīng)用程序
EZUSB通用驅(qū)動程序GPD(general purposedriver)用來和EZUSB外設(shè)接口的通用設(shè)備驅(qū)動程序，為應(yīng)用程序訪問EZUSB硬件提供了途徑．EZUSB開發(fā)包提供了默認(rèn)的驅(qū)動程序文件：EZUSB．SYS．
對于應(yīng)用程序而言，調(diào)用CreateFile()來打開設(shè)備并取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄．用戶程序使用函數(shù)DeviceIoControl()來提交控制碼，并為CreateFile()函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置I／O緩沖區(qū)．
連接到主機(jī)的EZUSB設(shè)備，GPD為其創(chuàng)建一個鏈接符．一個鏈接符．調(diào)用函數(shù)CreateFile()，實質(zhì)上就是獲取驅(qū)動程序產(chǎn)生的目標(biāo)設(shè)備句柄．EZIU3SHW 開發(fā)包中提供了 I/O控制碼，使用這些I/O控制碼能非常方便地實USB通訊當(dāng)使用快速傳輸方式時，需要將IOCTL_EZUSB＿START＿ISO_STREAM，IOCTL＿EZUSB＿READ＿ISO_BUFFER，IOCTL_EZUSB＿STOP＿ISO＿STREAM等控制碼提供給函數(shù)DcviceIoControl()，從而實現(xiàn)開啟等時傳輸、讀取等時傳輸數(shù)據(jù)、停止等時傳輸?shù)裙δ埽?
6 結(jié)論
系統(tǒng)采用FPGA作為采集處理部分，可以提高系統(tǒng)處理的速度，大大增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，具體表現(xiàn)為：
(1)系統(tǒng)性能得到大大提高．由于采用雙SRAM作為數(shù)據(jù)交換區(qū)，F(xiàn)PGA采用乒乓技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，提高了傳輸?shù)乃俣龋?br />
(2)系統(tǒng)的適應(yīng)性與靈活性強(qiáng)由于采用FPGA可編程邏輯器件采集與處理數(shù)據(jù)，對于不同的視頻圖像信號，只要對FPGA邏輯稍作修改，便可實現(xiàn)信號采集．
(3)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便.FPGA的外圍硬件電路簡單，在硬件設(shè)計中，可以大大地減小硬件設(shè)計的復(fù)雜程度．
FPGA技術(shù)和USB的組合，數(shù)據(jù)處理能力得到了極大的提高，且有利于系統(tǒng)升級．本設(shè)計用于傳輸當(dāng)前處理后的數(shù)據(jù)量已經(jīng)足夠，采用EZUSB2131芯片已經(jīng)可以完成．如果需要傳輸更大數(shù)據(jù)量，可以采用CPYRESS公司USB2．0芯片cy7c68013代替.該實例還可應(yīng)用于實時數(shù)據(jù)采集、音頻及壓縮視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域．