（检测技术与自动化装置专业论文）基于fpga和pci接口的图像采集压缩卡设计.pdf

长春工业大学硕士学位论文 摘要 随着数字图像处理的应用领域不断扩大，实时处理技术成为研究的热点。v l s i 技 术的迅猛发展为数字图像实时处理技术提供了硬件基础。其中f p g a ( 现场可编程门阵列) 的特点使其在图像采集和处理方面的应用显得更加经济、灵活、方便。 本文设计了一种以f p g a 为工作核心，并实现了p c i 接口的图像采集压缩系统。整 个系统采用了自顶向下的设计方案，先把系统分成了三大块，即图像采集、p c i 接口和 图像压缩，然后分别设计各个大模块中的子模块。 首先，利用f p g a 对专用视频转换器s a a 7 1 1 l a 进行控制，因为s a a 7 1 1 i a 是采用i z c 总线控制的，本系统利用v h d l 语言的描述在f p g a 芯片中模拟了1 2 c 总线模块，从而完 成了对s a a 7 1 1 i a 的控制，并通过设计图像采集模块、读写数据模块、总线管理模块 等，实现把标准的模拟视频信号转换成数字视频信号并采集的功能。 其次，在了解p c i 规范的前提下，深入地分析了p c i 时序和地址配置空间等，设 计了简化逻辑的状态机，并用v h d l 硬件描述语言设计了程序，完成了简化逻辑的p c i 接口设计在f p g a 芯片内部的实现，达到了3 3 m h z 、3 2 位数据宽度、支持猝发传输的p c i 从设备模块的接口功能，与传统的使用p c i 专用接口芯片来实现的p c i 接口比较来看， 更加节约了系统的逻辑资源，降低了成本，增加了设计的灵活性。 再次，设计了w i n d o w s 下对p c i 接口的驱动程序。驱动程序可以选择不同的方法 来完成，当然每个方法都有自己的特点，对几种主要设计驱动程序的方法作以比较之 后，本文选择了使用d r i v e rw o r k s 工具来完成。通过对配置空间的设计、系统端口和 内存映射的设计、中断服务的设计等，用v c + 十语言编写了驱动程序。 最后，考虑到增加系统的实用性和完备性，还填加设计了图像的压缩部分。这部 分需要完成的工作是在上述系统完成后，再额外地把采集来的视频数据通过另一路数 据通道按照一定的格式压缩后存储到硬盘中。本系统中，这部分设计是利用a l t e r a 公 司提供的i p 核来完成压缩的，同时还用v h d l 语言在f p g a 上设计了i d e 硬盘接口，使 压缩后的数据存储到硬盘中。 关键词：f p g ap c i 接口图像采集图像压缩w i n d o w s 下驱动 长春工业大学硕士学位论文 一一 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n d i n gc o n t i n u o u s l yo f t h ea p p l i e df i e l do f t h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ， t h er e a l - t i m ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb e c o m e ss t u d y i n gh o ts p o t 。t h ef a s td e v e l o p m e n to f t h e v l s it e c h n o l o g yh a sp r o v i d e dh a r d w a r ef o u n d a t i o nf o rd i g mi m a g er e a l - t i m ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a m o n gt h e m ，t h e c h a r a c t e r i s t i co f f p g a ( f i e l d - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) n 岫t h ea p p l i c a t i o ni ni m a g ec o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n ga p p e a rt ob em o r ee c o n o m i c ， 。f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t i nt h i sp a p e r ，w ed e s i g na n dc a n yo u tak i n do f i m a g ec o l l e c t i n ga n dc o m p r e s s i n g s y s t e mw h i c ht a k e st h ef p g a a st h ew o r kc o r ea n da c c o m p l i s h e dp c ii n t e r f a c e t h es y s t e m h a sa d o p ts e l f t h et o pd o w n w a r dd e s i g np l a l l ，f i r s th a sd i v i d e ds y s t e mi n t ot h r e e ，t h em o d u l e i nb e i n gt h a tt h ei m a g ec o l l e c t s ，t h ep c ii n t e r f a c ea n dt h ei m a g ec o m p r e s s ，a n dt h e nd e s i g n r e s p e c t i v e l ys u b m o d u l e so n eb y o n e f i r s t l y , m a k eu s eo ff p g a t ob ei np r o g r e s st os p e c i a lu s ev i d e of r e q u e n c yc o n v e r t e r s a a 7 11 1 au n d e rt h ec o n t r o lo f , s y s t e mh a sm a d en s eo fc a p i t a lt ow r i t ev h d ll a n g u a g e i n f p g a h a v i n gs i m u l a t e d t h e i b u s m o d u l e h a s a c c o m p l i s h e dc o n t r o l l i n g t o s a a 7 1 l l a t h e r e b y ，h a sb e c o m ea n dt h ef i g u r ev i d e of r e q u e n c ys i 耐a n d t h ef u n c t i o nc o l l e c t i n gb yt h e f a c tt h a tt h ev i d e os i g n a ld e s i g n i n gt h a ti m a g ec o l l e c t i n gam o d t i l e ，r e a d w r i t ed a t am o d u l e ， t h eb u sm a n a g i n gm o d u l ea n ds oo n , r e a l i z e ss t a n d a r ds i m u l a t i o nc h a n g e sb e c a u s eo f s a a 7 1 1 1 a i s t oa d o p t t h ei2 cb u s u n d e r t h ec o n t r 0 1 s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so f u n d e r s t a n d i n gt h e p c is t a n d a r d ，w ea n a l y z et h ep c it i m e s e q u e n c ea n da d d r e s sc o n f i g u r a t i o ns p a c e i nd e t a i l fd e s i g nt h el o g i cs t a t eb l o c kd i a g r a m ，a n d d e s i g nt h ep r o g r a mu s i n gt h ev h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e b e s i d e st h o s e ，w e c o m p l e t et h ep c ii n t e r f a c ed e s i g no f s i m p l i f y i n gl o g i ca n dc a r r yo u tt h ei n t e r f a c ef u n c t i o no f t h ep c i s u b e q n i p m e n tm o d u l eo nt h ec o n d i t i o no f a3 3m h z s ，3 2b i tw i d t h ，s u p p o r t i n g t h et a r g e tm o d e lt r a n s m i s s i o n c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp c ii n t e r f a c ew h i c hu s e s a p p r o p r i a t i v ei n t e r f a c ec h i pt oc a r r yo u t t h i sf u n c t i o n ，i te c o n o m i z e st h el o g i cr e s o u r c e so f 1 t h es y s t e m ，l o w e r sc o s t ，a n di n c r e a s e st h ef l e x i b i l i t yo f d e s i g n t h i r d l y , w ed e s i g nt h ed r i v e rf o rp c ii n t e r f a c ew h i c hc a nw o r ki nw i n d o w s w ec a n a c h i e v et h ed r i v e rb yu s i n gd i f f e r e n tm e t h o d s c e r t a i n l ye a c hm e t h o dh a si t so w n c h a r a c t e r i s t i c s c o m p a r i n gaf e wp r i m a r ym e t h o d s ，w es e l e c td r i v e rw o r k st o o lt oc o m p l e t e i t w ed e s i g nt h ec o n f i g u r a t i o ns p a c e ，s y s t e mp o aa n dm e m o r yr e f l e c t ，i n t e r r u p ts e r v i c i n g a tl a s t w ec o m p i l et h ep r o g r a m u s i n gv c + + l a n g u a g e t h i n kf i n a l l y , t ot h ep a r ti n c r e a s i n gt h es y s t e m a t i cp r a g m a t i s ma n dc o m p l e t e n e s s ， f i l l i n gi nt oa d dt h ec o m p r e s s i o nh a v i n gd e s i g n e da l li m a g e s t h i sp a r tr e q u i r e st h a tt h ej o b b e i n gc o m p l e t e di st h a tv i d e of r e q u e n c yd a t aa c c o m p l i s h i n gt h eq u e e n ，a c q u i s i t i o nb e i n g 鉴童三些盔堂堡_ 圭堂竺笙奎 c o m et os t i l le x t r a l yi na b o v e m e n t i o n e ds y s t e ma r r i v e sa th a r dd i s km i d d l eb yt h ef a c tt h a t t h ea n o t h e rs i n g l ef i l ed a t ap a s s a g ec o m p r e s s e sq u e e nm e m o r ya c c o r d i n gt oc e r t a i nf o r m t h a tt h i sp a r td e s i g n sc a p i t a li ns y s t e m ，i st om a k eu s eo f a l t e r at oa c c o m p l i s hc o m p r e s s i o n s c o m i n gt h e 口c o r et h a tt h ec o m p a n yp r o v i d e s ，i nu s i n gv h d ll a n g u a g ed a t am e m o r y m a k i n gt oc o m p r e s s e ds i g h ti nt h ei n t e r f a c eh a v i n gd e s i g n e dt h ei d eh a r dd i s ko nf p g a ， t oa r r i v ea tah a r dd i s ka tt h es a m et i m e k e yw o r d s ：f p g a p c ii n t e r f a c e i m a g ec o l l e c t i n gi m a g ec o m p r e s s i n g d r i v e o nw i n d o w s 长春t 业大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 3 论文作者签名：乍大国闷织 日期：年月 日 长春工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文选题的背景 随着现代化生产和科学研究的迅速发展，各个领域对图像采集系统的要求也同益 提高。传统的图像采集卡速度慢、处理功能简单，不能很好地满足特殊要求，因此， 构建高速图像采集系统成为很多行业的需要。而自从1 9 8 4 年x i l i n x 公司发明了现场 可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，加上其他可编程逻辑器件( 如 g a l ，e p l d ，c p l d 等) 后，给电子系统设计带来革命性的转变。利用f p g a 构建图像采集 和处理系统能够使图像的处理方面更加方便、灵活、适应性强。基于f p g a 的高速图像 处理系统的设计方案就是在这种条件下提出的”1 。 另一方面，随着总线技术的发展，在现代数据采集及处理系统中，i s a 、e i s a 、m c a 等扩展总线己无法适应高速数据传输的要求，而p c i 局部总线以其优异性价比和适应 性成为大多数系统的主流总线。 基于上述的情况，本设计利用f p g a 作为核心部件，完成了图像的采集和p c i 接口 设计。同时考虑到系统的实用性还在此基础上设计了利用i p 核的图像压缩部分，使系 统能够做作到把图像采集到计算机的同时通过另一路数据通道完成图像压缩，并送入 硬盘存储。 1 2 论文研究的目的和意义 1 2 1 利用f p g a 做核心部件的目的和意义 f p g a 具有类似门阵列或a s i c 的结构，内部由布线资源分隔的可编程逻辑单元( 或 宏单元) 构成阵列，又由可编程i 0 单元围绕阵列构成整个芯片一个f p g a 包含丰富的 具有快速系统速度的逻辑门( 最快延时l n s ) 、寄存器和i o 口，其功能单元可实现多 数t t l 7 4 l s 系列器件功能，同时可支持t t l 和c m o s 电平输入：一些系列的产品还提供 一定规模的存储块( 如a l t e r a 公司的a c e x 系列) ，包括单口或多口r a m ，r o m ，f i f o 缓 冲器。这些特点给用户提供了很大的自由度去实现所设计的专门用途的集成化数字电 路。其外围电路简单，高度灵活的用户现场编程方式，现场定义高容量数字单片系统 的能力，能够重复定义、反复改写的新颖功能，将电子应用设计工程师多年梦想变成 现实。这就是：在实验室里，在电脑系统前，现场设计、现场编程、现场配置、现场修 改、现场验证，从而在现场实现数字系统的单片化设计和应用。这意味着无须更改电 路，只要改写f p g a 内部功能，整个系统又可实现新功能。即一个最小的芯片方案可以 转换来执行多个功能。硬件的配置变得象软件一样，灵活方便。而其速度、集成度也 随着v l s i 工艺发展而迅速提高，许多运算功能在性能上甚至超过d s p 。3 。 因此，利用f p g a 加上专用视频转换器完成图像采集能够作到系统更加灵活，设计 长春工业大学硕士学位论文 更加简单。 另外，在大容量、高带宽的高速数据采集的应用场合，p c i 总线拥有巨大的优势。 虽然市场上有的一些p c i 接口专用芯片，但他们都需要外部扩展f p g a 来进行i o 接口 处理，成本明显偏高，占用面积较大，且外部d m a 通道都不超过2 个，无法同时处理 多通道的数据传送。因此使用f p g a 实现p c i 接口，成为目前p c i 板卡设计中技术领先， 成本最低，灵活性最高的方案”。 1 2 2 设计p c i 接口的目的和意义 在现代数据采集及处理系统中，i s a 、e i s a 、m c a 等扩展总线已无法适应高速数据 传输的要求，而p c i 局部总线以其优异性价比和适应性成为大多数系统的主流总线。 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ，外围部件互联) 局部总线是i n t e l 公司联合i b m ，d e c ，c o m p a q ，a p p l e ，n c r 等公司推出的，其规范的i 0 版本于1 9 9 2 年6 月2 2 日发布，2 0 版本于1 9 9 3 年4 月3 0 日发布，随后，2 1 版本和2 2 版本又 分别于1 9 9 5 年6 月l 同和1 9 9 8 年1 2 月1 8 日面世。 p c i 总线相对于i s a 总线有以下一些特点和优点： 独立于处理器。 为p c i 总线设计的器件是针对p c i 的，而不是针对处理器的，因此设备的设计独 立于处理器的升级。 低功耗。 p c i 技术规范的主要设计目标是实现尽可能小电流的系统设计。 传输速度高。 3 2 位p c i 总线在读写传送中支持每秒1 3 2 m b 的峰值传送速率，对于6 4 位p c i 传送 支持每秒2 6 4 m b 峰值传送速率。对于6 4 位6 6 m h z p c i 总线，传送速率可达到每秒5 2 8 m b 。 i s a 总线的传送速率每秒只有2 0 m b 左右”1 。 地址自动配置。 配置寄存器的全位级别规范，支持自动的设备检验与配置，p c i 设备的内存和i o 地址是由软件在系统启动时自动配置的，不需要像i s a 总线那样手动设置。 p c i 总线宽度3 2 位，可升级到6 4 位；最高工作频率3 3 m h z ，支持猝发工作方式， 使传输速度更高；低随机访问延迟( 对从总线上的主控寄存器到从属寄存器的写访问延 迟为6 0 n s ) ；处理器内存子系统能力完全一致；隐含的中央仲裁器；多路复用体系结 构减少了管脚数和p c i 部件；给于i s a 、e i s a 、m a c 系统的p c i 扩展板，减少了用户的 开发成本；对p c i 扩展卡及元件能够自动配置，实现设备的即插即用：处理器独立， 不依赖任何c p u ，支持多种处理器及将来更高性能的处理器；支持6 4 位地址；多主控 制允许任何p c i 主设备和从设备之间进行点对点访问；p c i 提供数据和地址的奇偶校验 功能，保证了数据的完整性和准确性“”“4 “。 长春工业大学硕士学位论文 i 3 国内外有关研究现状 1 3 1 图像采集 图像采集及处理单元一般分成两部分：图像采集单元和图像处理单元。图像采集单 元是由专用视频处理器、图像缓存以及控制接口电路组成。它的主要功能是实时地将 视觉传感器获取的模拟视频信号转换为数字图像信号，即灰度图像信号，并将灰度图 像直接传输给计算机处理及显示，或者将数字图像信号传输给专用图像处理系统进行 视觉信号的实时处理后再传送到计算机进行高级处理。图像处理单元最常用的是计算 机，或者专用图像处理系统，还可以是二者的结合。专用图像处理系统主要采用专用 集成芯片( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 或者现场可编程门阵列( f p g a ) 以及相关电路 组成。其中，现场可编程门阵列( f p g a ) 的应用使图像的采集和处理，尤其是图像的处 理方面更加方便、灵活、适应性强。“”。 1 3 2 图像压缩 自8 0 年代以来，由于数字存储媒体、电视传播及通信等应用中对运动图像编码方 法的需求日益增长，i t u ，i s o 等国际组织都成立了专门的机构，致力于制订运动图像 压缩编码的国际标准。到目前为止，已经开发和正在开发的运动图像压缩标准 有：h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，m p e g 一1 、m p e g 一2 。m p e g - 4 ，m p e g 一7 和m p e g 一2 1 ”1 。 i 3 3p c i 接口 目前开发p c i 接口大体有两种方式，一是使用专用的p c i 接口芯片，可以实现完 整的p c i 主控模块和目标模块接口功能，将复杂的p c i 总线接口转换为相对简单的用 户接口。用户只要设计转换后的总线接口即可，缩短了开发周期，缺点是用户可能只 用到部分p c i 接口功能，这样造成了一定的逻辑资源浪费，也缺乏灵活性，很可能增 加板上的组件，导致产品成本的增加和可靠性的降低。二是使用可编程器件，采用f p g a 的优点在于其灵活的可编程性，首先p c i 接口可以依据插卡功能进行最优化，而不必 实现所有的p c i 功能，这样可以节约系统的逻辑资源。而且，用户可以将p c i 插卡上 的其他用户逻辑与p c i 接口逻辑集成在一个芯片上，实现紧凑的系统设计。当系统升 级时，只需对可编程器件重新进行逻辑设计，而无需更新p c b 版图。现在已经有越来 越多的用户使用可编程器件如f p g a 、c p l d 等进行p c i 设备的开发“”。”3 。 1 4 硬件描述语言 对于一个复杂的数字系统而言，用硬件描述语言已成为当代数字系统的主要设计 方法。对数字系统的描述可以在不同的层次上进行，即可分为系统行为级、行为处理 级、寄存器传输级、逻辑门级和电路级等五个层次。最常用的硬件描述语一言是v h d l 长春工业大学硕士学位论文 和v e r il o g h d i ，本设计采用的是v h d l 。 v 咖l ( v h s i ch a r d a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是美国国防部在7 0 年代末和8 0 年 代初提出的v h s i c ( v e r yh i g hs p e e di n t e g r a g t e dc i r c u i t ) 计划的产物，支持硬件的 设计、综合、验证和测试。v h d l 于1 9 8 7 年由i e e e l 0 7 6 标准所确认。1 9 9 3 年，i e e e l 0 7 6 标准背升级为i e e e l l 6 4 。v h d l 已成为数字电路和系统的设计、综合、仿真的标准。 v h d l 因其强大的语言结构，多层次的描述功能，良好的移植性以及快速的a s i c 转换能 力，获得广泛的应用。 v e r i l o g h d l 也是非常常用的硬件描述语言，语法和c 特别相似，因此被更多人接 受。v e r i l o g 最初由g a t e w a y 系统设计公司发明，v e r i l o g 语言于1 9 9 5 年成为i e e e 标 准，称为i e e es t d l 3 6 4 - 1 9 9 5 。完整的标准在v e r il o g 硬件描述语一言参考手册中有详 细的描述。 随着电子系统设计复杂程度的不断增加，仅靠手工进行电子系统的设计已经无法 满足要求，迫切需要更高、更快速和更有效的电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 工具。业界最著名的生产e d a 工具的公司有c a d e n c e ，s y n o p s y s ，h 9 e n t o r 和a v a n t 等，每个公司基本都有一整套解决方案，从设计输入、仿真、综合、到后端 布局。近年来，许多生产可编程逻辑器件的公司多相继推出适于本公司器件的e d a 工 具。这些工具对硬件的要求比较低，运行平台一般是p c 机和w i n d o w s 或win d o w sn t 操作系统，价格相对也比较便宜昭0 “。 1 5 本文的系统设计 系统的结构框图如图1 1 所示，工作流程如下： 1 、通过专用的视频转换芯片把标准的模拟视频信号转换成数字视频信号 2 、利用f p g a i 完成对视频转换芯片的控制、采集图像，并形成p c i 接口电路。 3 、在f p g a 2 内加入压缩i p 核，写入i d e 硬盘接口。 4 、采集来的视频信号通过p c i 接口电路送入计算机。 5 、专用视频转换芯片输出的信号送入计算机的同时也送入f p g a 2 中压缩。 6 、压缩后的数据流通过i d e 接口送入硬盘。 由图中可见，系统的核心是f p g a 。视频转换器的控制、p c i 接口电路的形成、s r a m 的读写控制、i d e 接口都将在f p g a 内部用硬件描述语言来完成。而模块之间的通信联 系也可以通过硬件描述语言定义模块的引脚来完成。各个模块的行为描述将在对应章 节中详细描述。 1 6 硬件的选择 1 、专用视频转换芯片选用p h i l i p s 公司的可编程视频输入处理芯s a a 7 1 i i a 。 2 、f p g a i 采用a l t e r a 公司的e p l c 3 6t 1 4 4 作为核心处理芯片。该芯片采用查找 4 长春工业大学硕十学位论文 表( l u t ) 和嵌入式系统块( e s b ) 相结合的结构，特别适用于实现复杂逻辑功能和存储器 图1 1 系统结构框图 功能。它拥有15 0 00 0 0 个逻辑门，5 18 4 0 个逻辑单元，2 1 6 个e s b 。其片内存储器容 量可达4 3 2 k b i t ，可实现诸如f i f o ，双口r a m 和c a m 在内的各种存储器功能。它内部 集成了4 个p l l 。此器件完全满足今后扩展的需要，可随时实现核心处理算法的升级。 3 、f p g a 2 采用s t r a t i x i i e p 2 s 1 8 0 芯片。 1 7 设计重点和难点 由上边的论述可见，本系统中主要完成图像采集及p c i 接口两个部分，其中重点 和难点都集中在p c i 接口电路的设计上。 根据p c i 规范，p c i 总线实现即插即用，内部必须实现配置寄存器，驱动程序就是 长春工业大学硕士学位论文 靠配置寄存器来对总线的地址、中断等实现动态分配。p c i 总线协议还必须实现p c i 目标状态机和奇偶校验等逻辑。 下面对各个部分分别进行详细阐述。 6 长春工业大学顽士学位论文 第二章图像的采集 图像采集部分一般由信号源、专用视频处理器、图像缓存以及控制接口电路组成。 这部分设计中需要完成： ( 1 ) 视频转换器和f p g a 以及s r a m 的硬件电路设计 ( 2 ) 用v h d l 硬件描述语言对视频采集模块进行详细的行为描述。 首先，对各个组成部分简要介绍。 2 1 图像信号源 目前，世界上实际应用的电视信号制式主要有n t s c 制式、p a l 制式、s e c a m 制式3 种，世界上大多数国家采用p a l 制式，我国也采用p a l 制式。美国、同本等国家采用 n t s c 制式，俄罗斯、法国、埃及等少数国家采用s e c 蝴制式。本系统中的信号源采用 标准的模拟视频信号p a l 制式，一般的摄像头、摄像机都提供p a l 制式的视频信号。 p a l 制式规定，场扫描频率为5 0 h z ，每帧图像的扫描行数为6 2 5 行。3 。 2 2 专用视频处理器 本系统中专用视频处理器采用p h i l i p s 公司的可编程视频处理芯片s a a 7 1 1 l a 。它通 过简洁的1 2 c 总线与其它器件和设备连接可以将模拟视频信号转换为多种格式的数字视 频信号。 最复杂的信号莫过于视频信号。视频信号中除了包含图像信号之外，还包括了行 同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号以及槽脉冲信号、前均衡脉冲、后 均衡脉冲等。因而，对视频信号进行a d 转换的电路也非常复杂。p h i l i p s 公司将这些 非常复杂的视频a d 转换电路集成到了一块芯片内，从而生产出功能强大的视频处理 芯片s a a 7 1 1 1 a ，为视频信号的数字化应用提供了极大的方便。 s a a 7 111 a 采用c m o s 工艺。该器件通过简洁的1 2 c 总线与p c 机进行连接可方便地 构成s a a 7 1 1 1 a 的开发系统。s a a 7 1 1 1 a 内部包含两路模拟处理通道，可以选择视频源并 可抗混叠滤波，同时还可以进行模数变换、自动嵌位、自动增益控制、时钟产生、多 制式解码等，另外还可对亮度、对比度和饱和度进行控制。s a a 7 1 1 1 a 芯片中的场同步 信号v r e f 、行同步信号h r e f 、奇偶场信号r e s l 、像素时钟信号l l c 2 都由管脚直接引 出，从而省去了以往时钟同步电路的设计，其可靠性也有所提高。系统内部锁相环技 术的集成使得可靠性有了很大的提高，并极大地降低了设计复杂度。因此，利用 s a a 7 1 1 1 a 可为视频信号的数字化应用，比如多媒体领域、数字电视、图像处理、视频 监控、可视电话、视频桌面系统等领域提供极大的方便“。 2 2 1 s a a 7 1 1 1 a 主要特点 s a a 7 1 1 1 a 主要特点如下： 长春工业大学硕士学位论文 具有四路模拟输入和内部模拟信号源选择，如4 x c v b s 、2 x y c 或者( 1 x y c 和 2 c v b s ) ： 具有两路模拟预处理通道； 对所选择的c v b s 或y c 通道可编程为静态增益控制或自动增益控制： 可进行白峰控制； 带有两路内置的模拟抗混叠滤波器； 内含两个8 位的a d 转换器； 内含片内时钟发生器； 具有梳状滤波功能； 行锁定系统时钟频率： 具有数字p l l ，可用来进行行同步处理和时钟发生； 所有不同的制式标准只需同一频率的晶振( 2 4 5 7 6 m h z ) ； 可进行行场同步信号的检测； 自动进行5 0 6 h z 场频的检测，自动进行标准p a l 和n t s c 制式之间的转换； 可对各种制式的视频信号的亮度和色度进行处理； 用户可编程进行亮度峰值控制和镜头孔径修正； 可进行亮度、色度、饱和度的片内控制； 具有实时状态信息输出； 数据输出格式多样，具体格式如下： 4 ：1 ：1 的y u v 格式( 1 2 位) 4 ：2 ：2 的y u v 格式( 1 6 位) 4 ：2 ：2 的1 u v 格式 c c i r 一5 6 ( 8 位) 5 ：6 ：5 的r 6 b 格式( 1 6 位) 8 ：8 ：8 的r g b 格式( 2 4 位) 具有符合i e e e i l 4 9 - 1 标准扫描逻辑的边界扫描测试电路； 可通过1 2 c 总线接受外部控制器的完全控制。 2 2 2s 从7 1 1 l a 结构原理 。 1 、结构原理 s a a 7 1 儿a 的功能方框图如图2 1 所示。s a a 7 1 儿a 有四条视频信号输入引脚a 1 1 1 、 a l l 2 、a 1 2 1 、a 1 2 2 。当视频信号从某一引脚进入之后，首先进行模拟处理，然后通过 缓冲器输出一路到a o u t 端用于监视，另一路经a d 后产生数字色度信号和亮度信号分 别对其进行处理。经过处理后的亮度信号一路送到色度信号处理电路经过综合处理后 产生y 、u 、v 信号，再经过格式化后从1 6 位的v p o 输出：另一路进入同步分离电路， 并经数字p l l 产生行、场同步信号h s 和v s ，同时p l l 驱动时钟发生电路以产生与h s 长春工业大学硕十学位论文 锁定的时钟信号l l c 和l l c 2 0 图2 1s a a 7 1 1 1 a 结构原理图 色度信号处理电路的工作过程通常是：从a d 出来的8 位数字色度信号被送入平方 解码器，在此利用了两个副载波信号，其中副载波信号的相位与解码器成0 0 或9 0 0 的关 系，频率由当前所输入视频信号的色彩制式所决定。从平方解码器出来的色差信号经 过一个低通滤波器后便可获得所需带宽的色差信号。而后色差信号再被送入亮度、对 比度和饱和度控制电路以完成如下功能： ( 1 ) a g c ： ( 2 ) 色度信号幅度匹配： ( 3 ) 亮度、对比度、饱和度控制： ( 4 ) 将y u v 限制在1 2 4 4 范围内。 y 信号也被送到色度信号处理器，经过延时补偿与梳状滤波后的u v 信号一起进入 9 长春工业大学碗士学位论文 r g b 变换矩阵以产生r g b 信号，然后通过格式选择器由v p o 输出。该信号有多种输出格 式可供选择。 亮度信号处理电路的工作过程是这样的：8 位亮度信号( c v b s 、s - v h s 、h 1 8 格式) 送到一个可切换的预滤波器进行高频成分的损失补偿，然后再送到中心频率为f = 4 4 3 m h z 或3 5 8 删z 的色度信号陷波器中，以最大程度地减弱色载波信号( 对s - v h s 、h 1 8 格式，它必须是旁通的) ，最后再经可变带宽滤波和匹配放大后进行叠加以产生y 信号 供上面的色度信号处理使用。 经过预滤波后的亮度信号的另一路将用于同步处理。其主要作用是进入带宽为 1 m h z 的同步滤波器以分离同步信号。同步信号分离出来后，再经过相位检测进入一个 环形滤波器，然后再经过计数器和场处理器来产生相应的行、场同步信号h s 和v s 。 2 3 硬件电路设计 2 3 1s 从7 1 1 1 a 连接电路 图2 2s m , 7 1 1 1 a a 连接电路 长春工业大学硕上学位论文 2 3 2e p l c 3 6t 1 4 4 ( f p g a ) 连接电路 图2 3e p i c 3 6t 1 4 4 连接电路 2 3 3s r a m 的连接电路 s r a m 是系统中的数据存储器，用于保存采集的图像数据或图像处理过程中较大数 据量的中间结果。s r a m 的容量和读写速度是两个重要的参数。s r a m 的容量决定了它所 能提供的存储空间的大小，s r a m 的读写速度直接影响着系统时钟的选择。由于实验系 统采用的是5 1 2 5 1 2 的灰度图像，图像数据宽度为8 位，一帧图像的大小为2 5 6 k ，又 考虑到图像处理过程中需要保存中间结果等因素，采用了c y p r e s s 公司的 c y 7 c 1 0 4 9 v 3 3 。c y 7 c 1 0 4 9 v 3 3 是容量为5 1 2 k 8 的高性能s r a m ，根据不同型号，读写速 度分别为1 2 n s ， 1 5 n s ，1 7 n s ，2 0 n s ，2 5 n s 。 本系统采用c y 7 c 1 0 4 9 v 3 3 1 5 ，读写速度为1 5 n s 。图2 4 为本系统所采用的 c y 7 c 1 0 4 9 v 3 3 的电路连接图。 器赫貔箩擎辫 长春工业大学硕士学位论文 2 4 图像采集的工作原理 系统复位完成f p g a 程序加载后，先由f p g a 的i 总线模块对s a a 7 1 1 1 初始化，本 系统中s 从7 1 1 1 a 的初始设定为：一路模拟视频信号输入、自动增益控制、6 2 5 行5 0 h z 、 p a l 制式、y u v 4 2 21 6 b i t s 数字视频信号输出、设置默认的图像对比度、亮度及饱和度。 之后等待采集图像的命令。初始化成功后，s a a 7 1 1 1 实时处理模拟视频信号，输出亮度 和色度信号，同时输出点时钟信号，行、场同步信号，行、场参考信号，奇偶场标志 信号等。本系统使用灰度图像，没有使用色度信号，所以数据线为8 位 系统采集图像的命令由计算机发出。采集命令通过p c i 总线传输到f p g a ，启动f p g a 的采集同步模块。采集同步模块发出采集标志信号，采集一帧图像，通过写数据模块 产生写地址和写信号将数据存储到s r a m 中。采集结束时，采集标志信号撤消，采集同 步模块复位，等待下一次采集命令。f p g a 处理完l 帧图像数据后，通过读数据模块生 产读地址和读信号来实现将s r a m 中的图像信息读出并通过p c i 总线传送到计算机中。 在图像采集过程中，我们使用的是5 1 2 5 1 2 的图像，即一帧图像采集5 1 2 行，奇 数场和偶数场各采集2 5 6 行，每一行采集5 1 2 个像素。因此，需要通过行延时模块进 行行选择，滤掉无效行，通过像素延时模块进行像素选择，以选择需要的像素。“1 2 5 用v h d l 硬件描述语言完成采集控制模块的行为描述 采集控制模块又包括几个子模块。因为s a a 7 1 1 1 采用的是1 2 c 总线，所以采集控制 k 奋工业人学硕十学位论文 模块应包括：模拟i c 总线模块、采集同步模块、s r a m 读写模块。 2 5 1 模拟1 2 c 总线模块 2 5 1 11 2 c 总线概述 1 2 c 协议作为一个串行总线标准尽管没有并行总线的数据吞吐能力，但是它的以下 特点使其有着广泛应用： 只需两条总线一一串行数据总线s d a 和串行时钟总线s c l ； 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和一直存在的简单的主从节 点关系软件设定地址，主节点可以发送或接收数据； 是真正的多主总线，当两个或更多主节点同时初始化数据传输时，可以通过冲 突检测和仲裁防止数据被破坏； 串行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达l o o k b i t s ，快速模式下可达 4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i t s ； 片上的滤波器可以滤去总线数据上的毛刺波，保证数据完整； 连接到相同总线的i c 数量只受到总线的最大电容( 4 0 0 p f ) 限制。 总线不仅仅是互连的线，还包含系统信息的所有格式和过程。1 2 c 总线结构上的特 点保证了其应用时的简洁，另外其完备的协议避免了所有混乱、数据丢失和妨碍信息 的可能性。 。 2 5 1 21 2 c 协议的时序要求 1 、总线上的数据传递时序 i2 c 总线数据传递时序如图2 5 所示，具体步骤如下： 首先主节点器件发送一个起始信号。 接下来主节点器件发送从节点地址和读写方式，一共8 位。其中从节点地址7 位，读写方式1 位。 与传输地址一致的从节点器件应答( 即a e k ) 。 开始数据传输，传输数据数量不限。每个字节( 8 位) 后面跟接收数据方的应 答位。 数据传输结束后，主节点器件发送一个终止信号结束整个过程。 采用1 2 c 总线后对传送的字节数没有限制，只要求每传送一个字节后对方回应一个 应答信号。在发送时首先发送数据的最高位。每次传送开始有起始信号，结束时有停 止信号。在总线传送完一个字节后，可以通过对时钟线( s c l ) 的控制使传输暂停。 2 、总线上的时序信号 i2 c 总线为同步传输总线，总线信号完全与时钟同步。1 2 c 总线上与数据传送有关 长春工业大学硕士学位论文 的信号有起始信号s 、终止信号p 、应答信号a 以及位传送信号，下面对这些信号一一 介绍。 r 广一1 i ii 1 ，1 。彳栌- 凡风同风风f = 、凡风属 i 立j l 一l _ j l _ jl _ j l