（电路与系统专业论文）基于FPGA的高分辨率图像采集卡[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 中文摘要 随着计算机科学和视频技术的广泛发展，数字图像采集在电子通信与信息处 理领域得到了广泛的应用，例如广播电视的数字化、网络视频、监视监控系统等。 视频图像采集卡作为计算机视频应用的前端设备，承担着模拟视频信号向数字视 频信号转换的任务，在多媒体时代占据着重要的位置。设计一种功能灵活，使用 方便，便于嵌入到系统中的视频信号采集电路具有重要的实用意义。 本文首先介绍数字图像采集系统的发展现状和前景，提出了本次设计的目标： 完成基于p c i 总线的高分辨率图像采集卡设计。然后简单介绍了本次设计用到的基 本理论：数据采集理论，特别说明了采样和量化的定义与区别，以及量化的几种 方式和量化与a d 技术之间的关系。 图像采集系统的基本构成，是以数字信号处理器为核心，控制外围的a d 、 d a 转换器和外围存储器。本文对比了当下流行的d s p 芯片着h f p g a 芯片作为数字 处理核心的优缺点，并根据系统实际需要，选用f p g a 作为数字信号处理器。然后 列举了几款常用a d 视频芯片，还介绍了s d r a m 控制的基本流程，最后提出了系 统的整体设计方案。 、 图像采集卡的硬件设计分为a d 前端模拟通道设计和f p g a 数字信号传输及 外围电路设计。本文重点介绍t a d 芯片外围电路连接和使用方法，对p c i 总线和 它的控制电路也做了详细阐述。对图像采集卡的p c b 布局布线也有详细说明。 图像采集卡f p g a 内部程序构成也是本文的一个重点。本次的程序设计主要分 为数据采集模块，即与a d 接口模块，数据暂存模块，& 1 s d r a m 读写控制模块， 数据处理模块和数据传输模块，即p c i 控制模块。重点在于对的s d r a m 的连续读 写控制和各个模块问的协调工作。说明了a d 采集数据从接收到存储详细过程，以 及对s d r a m 读写状态机年 i p c i 总线的操控。 最后介绍了硬件调试和f p g a 程序验证结果。详细说明了以m o d e l s i m 为平台的 前端功能仿真和后端时序仿真，以及以s i g n a l t a p l i 为平台，程序下载至t j f p g a 中进 行的实时验证。结果表明整个图像采集系统基本达到了系统设计中所给出的性能 指标，证明了整个系统设计的正确性和合理性。 关键词：图像采集，f p g a ，s d r a m ，p c i 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fc o m p u t e rs c i e n c ea n dv i d e ot e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g e a c q u i s i t i o ni sw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gf i e l d ，s u c ha sd i g i t a l b r o a d c a s t ，v i d e oi nn e t ，m o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m a st h ef o r e s i d eo fc o m p u t e rv i d e o e q u i p m e n t ，d i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o nc a r dh a st h et a s ko fc o n v e r s i o nf r o ma n a l o gv i d e o s i g n a lt od i g i t a li m a g e i ti sv e r ys i g n i f i c a n c et od e s i g na ne m b e d d e di m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e m ，w h i c hi su s e f u la n dc o n v e n i e n t i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，d i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m s a c t u a l i t ya n df u t u r ea r e p r e s e n ta tf i r s t d e s i g n i n ga na u t o a d a p t i v eh i g hr e s o l u t i o ni m a g ea c q u i s i t i o nc a r di st h e g o a lo ft h i sp r o j e c t ，s oim u s ti n t r o d u c es o m eb a s i ct h e o r y ：d a t aa c q u i s i t i o nt h e o r y , t e l l t h ed e f i n i t i o na n dd i f f e r e n c eb e t w e e ns a m p l i n ga n dq u a n t i z a t i o na sw e l la st h et y p eo f q u a n t i z a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a n t i z a t i o na n da dt e c h n o l o g y t h eb a s i cf o r mo fa ni m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mi sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a da n d d ac o n v e r t e r , a n dm e m o r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ic o m p a r et h ef p g a sa n dd s p s a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e ，l i s ts e v e r a la dc o n v e r t e r s ia l s oi n t r o d u c et h ep r o c e s so f s d r a mc o n t r o l l i n g t h e np r o p o s et h ew h o l e p r o j e c tp r o g r a m t h eh a r d w a r eo fi m a g e a c q u i s i t i o nc a r d sd e s i g n i sd i v i d e di nt ot w o p a r t s ：a d f o r e s i d ea n a l o gc h a n n e l sd e s i g na n df p g a d i g i t a li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nc i r c u i t d e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ec o n n e c t i o no f a d so u t e rc i r c u i ta n di t su s a g e a l s oii l l u s t r a t et h ep c ii n t e r f a c ea n di t sc o n t r o lc i r c u i ta sw e l la sp c bl a y o u t t h ep r o g r a m m ei nf p g ai sa l s ov e r yi m p o r t a n ti nm y d e s i g n t h i sc o m p l i c a t e d s y s t e mc o n t a i nd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e a n dd a t ap a s s i n gm o d u l e ，t h em o s ti m p o r t a n tt h i n gi st h a tm a k i n gt h e s em o d u l e sw o r k t o g e t h e ra n dl e tt h e mc o o p e r a t i v e l y t h er e s u l to ft h er e s e a r c ht e l l su st h a tt h i si m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e ma c h i e v e st h e i n d i c a t a o rw h i c hw e r ep u tf o r w a r de a r l i e r i ta l s op r o v e st h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yi n t h i sw h o l es y s t e m k e y w o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，f p g a ，s d r a m ，p c i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：乡乏武日期：叼年月巧，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝垫导师签名：主亟三冬 日期：7 年j 月2 3 日 第一章引言 第一章引言 1 1 高分辨率图像采集系统简介 随着计算机和视频技术的广泛发展，数字图像采集在电子通信与信息处理领 域得到了广泛的应用，例如广播电视的数字化、网络视频、监视监控系统等等， 视频图像采集卡作为计算机视频应用的前端设备，承担着模拟视频信号向数字视 频信号转换的任务，在多媒体时代占据着重要的位置。设计一种功能灵活，使用 方便，便于嵌入到系统中的视频信号采集电路具有重要的实用意义。 早期基于i s a 总线的图像采集卡是采用面向帧存的图像采集方式，即模拟图像 通过a d 转换器后，先存于采集卡上的存储器中( 帧存储器) ，存满一帧( 一般是一幅 完整图像) 后，再送到计算机存储器。因此电路复杂，成本较高，数据采集和传输 速度均不快，图像有闪烁感。 随着p c i 总线的推出，现在的图像采集卡借助p c i 总线的线性突发传输的特点， 可采用面向计算机存储器的图像采集方式，即模拟图像通过a d 转换器后，先存于 p c i 总线产品自身的缓冲器中( 一般只需几k 的容量) ，当缓冲器满后直接把图像数 据传输给计算机的物理存储器。因此电路设计较为简化、成本低、采集速度快、 数据传输流畅，满足2 4 帧s 的图像采集要求【1 i 。 由于u s b 2 0 技术的普遍应用，现在一些图像采集卡开始脱离计算机体内，通 过u s b 总线连接，整个图像采集卡由图像采集、图像信号的处理和控制、u s b 传输 和控制、p c 机端的图像还原和存储等几部分组成，因此携带方便，并支持热插拔 功能，将成为下一代图像采集卡的主流设计。 1 2 本课题的提出 该课题要求能采集多种分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 、8 0 0 x 6 0 0 、1 0 2 4 x 7 6 8 、1 2 8 0 x 1 0 2 4 ) 下的图像信号，目前国外有很多实现该功能的采集卡，而且达到的性能指标也很 高。对于1 0 2 4 x 7 6 8 的图像，每秒钟输出的帧率可达到1 6 帧。但是，国外高速图 像采集卡的价格也非常昂贵，通常的费用都在万元以上，限制了其在国内的应用。 而且，课题要求，该图像采集卡，不但能进行电脑视频( v g a ) 图像的采集，而 1 电子科技大学硕士论文 且能进行不同制式电视( t v ) 图像的实时采集，国内外很少有这样的产品。因此， 本课题要做到在多种分辨率下自适应的电脑图像采集和电视图像的采集，而且要 降低设计成本，节约开发周期。 1 3 作者的主要工作 本论文的主要工作是设计一个高分辨率图像采集系统系统，能自适应地实时 采集不同分辨率和刷新率下的图像信号，并通过p c i 总线传入电脑连续存储和显 示。作者的主要工作如下： 1 参与整个系统方案的讨论，完成芯片的选型； 2 完成原理图和p c b 板的绘制； 3 完成f p g a 内部所有程序编写； 4 完成硬件电路的调试和f p g a 内部程序的调试。 2 第二章数据采集原理 2 1 数据采集理论 第二章数据采集原理 将模拟信号转换为数字信号，并进行存储和计算机处理显示的过程称为数据 采集，而相应的系统则为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 。数据采集技术是 信息科学的一个重要分支，它研究信息数据的采集、存储、处理及控制等工作， 它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。 由于数据采集技术可以使许多抽象的模拟量数字化，进而给出其量值，或通过信 号处理对该模拟量进行分析。与模拟系统相比，数字系统具有精度高、可靠性高 等优点，因此，数据采集技术的应用越来越广泛。如温度、压力、位置、流量等 模拟量，可以通过不同类型的传感器将其转换为电信号模拟量他日电压、电流或电 脉冲等) ，再通过适当的信号处理将信号送给模拟数字转换器( a d c ) ，使其转换为 可以进一步处理的数字信号送给数字信号处理器或微处理机。反之，数字信号处 理器或微处理机可通过数字模拟转换器( d a c ) 将其产生的数字信号转换为模拟信 号，再通过信号处理进行输出1 2 j 。 数据采集的基本理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、数据采集的有 效位数等。下面分别加以讨论。 2 2 数据采集过程 假设连续模拟信号z o ) ，按一定时间间隔黯采样，得到离散时间信号蕊0 r s ) ， 时间间隔乃被称为采样间隔或者采样周期，它的倒数1 ，a 被称为采样频率，单位 是采样数每秒。再经过量化变为量化信号物0 r s ) ，最后编码转换为数字信号 x ( n ) 。以上转换过程可以用图2 - 1 来表示。如果对信号x q ) 采集n 个采样点，那么 x o ) 就可以用下面这个数列表示：伽( 0 ) ，x ( f ) ，x ( 2 a t ) ，z ( 3 出) ，工( k 缸) ， 。这个数列 被称为信号x q ) 的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制 索引，而不含有任何关于采样率( 或乃) 的信息。所以如果只知道该信号的采样值， 并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号x q ) 的频率。 3 电子科技大学硕士论文 x “) x s ( n t s x q ( n r s x ( n ) 2 3 采样 图2 - 1 数据采集过程 采样可以看作是一个脉冲调幅的过程。根据采样定理，对一个具有有限频谱 x ( 厂) 的连续信号x q ) 进行采样，当采样频率声2 ，m a x ( ，m a x 为信号的最高频率) 时，由采样得到的采样信号蕊r s ) 能无失真地恢复原来的信号x ( f ) 。反过来说， 如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎 斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分， 信号将在直流和奈奎斯特频率之间畸变。理论上可以通过采样内插公式在每个采 样n t 上具有该采样值不为0 ，所以其能保证各采样点上信号不变，对于在不为n t 的这些时刻即为各采样函数延伸叠加而成，来恢复原始信号。当然，实践中不可 能通过计算内插公式恢复信息这样各点计算量太大，工程中常通过一个d ，a 变换 器加低通滤波器恢复原来信息 4 第二章数据采集原理 2 4 量化方法与量化误差【3 】【4 】 1 量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。量化单位q 定义为量化器满量 程电压f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) 与? 比： q f s r ( 2 “1 公式( 2 - 1 ) 其中n 是量化器的位数。显然，量化器的位数越多，量化单位越小，a d 的 精度就越高。 在实际电路中，量化和编码是同时进行的。编码是把量化信号的电平用数字 代码表示出来，最常用的编码形式是二进制编码。 2 量化方法 1 1 “只舍不入”的量化 所谓“只舍不入”量化，是指信号幅度小于量化单位的部分，一律舍去。如图 2 2 所示。 季一季一 图2 - 2 “只舍不入”量化过程 “有舍有入”的量化 “有舍有入”的量化是将采样信号幅值与量化电平相比较，如果它们的差值小于 q 2 ，则将这部分舍去，若大于或等于q 2 ，则将这部分计入。如图2 3 所示。 当0 量厨0 r s ) q 2 时 x s ( n t s ) 一0 公式( 2 - 2 ) 当吁2 量腼0 如) q x l 2 ，则该采集卡能够胜任采集工作。 视频源：使用各种图像采集卡，首先需要用户提供采集或压缩用的视频源。 视频源可以是v c d 影碟机、已有的录像带、摄录机、l d 视盘、c c d 摄像头、监 视器的视频输出等等。 图像采集卡的技术参数主要有以下几方面： 1 1 图像传输格式 图像采集卡需要支持系统中图像所采用的输出信号格式。大多数图像采用 r s 4 2 2 或e i a 6 4 4 ( l v d s ) 作为输出信号格式。在数字相机中，i e e e l 3 9 4 ，u s b 2 0 和c a m e r a l i n k 几种图像传输形式则得到了广泛应用。 图像格式 黑自图像：通常情况下，图像灰度等级可分为2 5 6 级，即以8 位表示。在对图 像灰度有更精确要求时，可用1 0 位，1 2 位等来表示。 彩色图像：彩色图像可由r g b ( y u v ) 3 种色彩组合而成，根据其亮度级别 的不同有8 - - 8 - - 8 ，1 0 1 0 1 0 等格式。 7 电子科技大学硕士论文 3 ) 传输通道数 当图像以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需 要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1 路，2 路， 4 路，8 路输入等。 钔分辨率 采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持7 6 8x 5 7 6 点阵，而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达6 4 k x 6 4 k 。单行最大点数和 单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。 5 ) 采样频率 采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时，需 要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率到6 5 m h z 。 传输速率 主流图像采集卡与主板间都采用p c i 接口，其理论传输速度为1 3 2 m b s 。 2 7 本章小结 本章简单介绍了数据采集的基本理论，以及数据采集的过程，其中重点介绍 了采样、量化过程和产生量化误差的原因，然后简单说明了量化误差和a d 位数 的关系，最后介绍了图像采集的基本知识。 8 第三章系统的方案设计和组成 第三章系统的方案设计和组成 3 1图像处理系统的基本组成 图像处理系统中一般由a d 转换器，数字信号处理器，d a 转换器以及存储 器等几个主要部分组成，如图3 - 1 所示。图像输入信号首先通过a d 转换器或解 码器，输入到信号处理器，进行信号的实时采集和编解码操作，然后把得到的数 据暂存在外部存储器中，根据实际需求对该采集获得的数据进行各种所需的处理， 这是信号处理系统的核心部分，最后把处理后的数据送给d a 或编码器，并控制 它们的输出。 图 输 图3 1 图像处理系统的一般组成 3 2 数字信号处理器的选择方案 近年来，随着微电子技术的迅猛发展和芯片制造工艺的提高，频率更高，性 能更强的d s p 和f p g a 不断涌现，过去的一个机箱、甚至一个机柜的信号处理系 统，现在完全可以由单片的d s p 或f p g a 来完成，系统设计也将从过去的p c b 板 设计过渡到v i s i 与u v l s i ( 甚大规模集成电路) 芯片的设计。与此同时，由于d s p 和f p g a 技术的大量采用，数字图像处理就硬件结构方面也发生了重大变化，它 已由基本的串行结构发展成平行处理结构，由单片d s p 或f p g a 处理器发展成多 d s p 或f p g a 处理器系统，或带阵列d s p 和f p g a 的高速处理系统。下面对d s p 和f p g a 做一个简单的比较。 9 电子科技大学硕士论文 d s p 作为可编程超大规模集成电路( v l s i ) 件，是通过可下载的软件或固件 来实现扩展算法和数字信号处理功能的，其最典型的用途是实现f i r 滤波器和f f i 算法。在硬件上，d s p 最基本的构造单元是被称为m a c 的乘加器，它通常被集成 在数据信道中，这使得指令周期时间可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，d s p 芯片还有若干个独立的片存储器、r o m 、r a m 、并行功能单元、锁相环口u 0 、 振荡器、几条8 位或1 6 位的总线、时钟中断电路等。为满足无线便携式器件无电 保存数据的要求，d s p 芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。当前， 大多数的d s p 芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使得 处理指令和数据可以同时进行，提高了处理效率。另外还采用了流水线技术，将 取指、取操作数、执指等步骤的指令时间可以重叠起来，大大提高运算速度。 f p g a 指的是现场可编程门阵列，它的基本功能模块是由n 输入的查找表， 存储数据的触发器等组成。将查找表和触发器用可编程的布线资源连接起来，就 可以实现不同的组合逻辑和时序逻辑。由于f p g a 内部结构的特点，它可以很容 易的实现分布式的算法结构，这一点对高速数字信号处理十分有利。因为数字信 号处理中通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加 操作，而通过分布式的算术结构，f p g a 可以有效地实现乘和累加操作。 随着技术的进步，d s p 芯片的速度不断提高，其硅片面积逐渐缩小，并且功 耗也在减小。尽管如此，在高速信号处理中对d s p 的要求仍然难以达到，因为d s p 程序是串行执行的，所以即使采用多处理器结构进行负荷分担，其速度也不会有 很大程度的提高。 由于f p g a 器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、 流水线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。由f p g a 实现 的计算系统可以达到现有通用处理器的数百甚至上千倍。并且，由于f p g a 可动 态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线性函数，因此有可能在 很少的几片甚至一片f p g a 中集成一个支持所有标准的系统。不过，由于现有的 f p g a 的开发系统几乎都是为a 。s i c 的原型验证而设计的，导致这些开发系统在节 省工程开发时间上效率非常高，而在f p g a 资源的利用效率方面却比较差。h d l 语言可大大提高设计能力，但在最大限度地发挥器件性能方面t - i d l 的设计方法还 有一定的局限性，还不能提供f p g a 布局布线的优化和约束。 实时视频处理对系统性能的要求极高，因此几乎所有只具最简单功能的通用 d s p 都不具备这项功能。可编程逻辑器件允许设计人员利用并行处理技术实现视 1 0 第三章系统的方案设计和组成 频信号处理算法，并且只需单个器件就能实现期望的性能。基于d s p 的解决方案 通常需要在单板上嵌入许多d s p ，以得到必需的处理能力，这无疑将增加程序资 源开销和数据存储器资源开销1 5 j 。 许多实时图像和视频处理功能均适合于用f p g a 器件来实现，包括：图像旋 转、图像缩放、色彩校正和色度校正、阴影增强、边缘检测、直方图功能、锐化、 中值滤波器和斑点分析等。f p g a 现有的面向信号处理的工具和口模块还比不上 发展较为成熟的d s p 所拥有的工具和软件。这些综合因素形成了f p g a 的一个重 大缺点：b d t i 公司的分析表明，优化f p g a 复杂信号处理功能所花费的时间是优 化d s p 的5 倍。尽管存在这种缺点，f p g a 的巨大性能优势还是使其成为一些高 端信号处理应用的技术选择。 根据以上比较，由于本系统要进行大规模的多通道的图像采集与处理，我们 采用f p g a 作为数字信号处理模块。 3 3 高速视频a d 的选择 3 3 1 高速视频a d 的发展现状 高速视频a d 即为对电脑视频输出( v g a ，d v i ) 的图像信号进行采集和转 换的器件。随着视频技术的高速发展，人们对图像采集的速度和质量要求也大幅 提高，作为难度较高的视频a d 芯片也得到了相应的发展。总的来看，视频a d 的 发展是性能价格比不断提高的过程，它有以下的现状【6 1 ： 1 内部处理复杂，接口不断简化。内部可以采集并处理数据，改变传送模式 和速度等，减少了模拟部件，尽可能多地采用成熟的数字电路，以便嵌入系统， 进行系统集成。 2 越来越高的转换速率。为满足高分辨率下的图像采集，必须不断提高转换 速率。现在，8 位以下a d c 的转换速率可以超过1 g h z ，1 0 位a d c 可以实现 3 0 0 m h z 的转换速率。 3 实现对更高分辨率的采集。现在的视频a d c 一般都能达到1 2 4 0 x 1 0 2 4 以 上分辨率的图像采集，高的则可达2 0 4 8 x 1 5 3 6 ，刷新频率也在8 5 f i z 以上。 4 低电压驱动、低功耗。这实际上是整个电路的发展趋势，是与高速发展中 的数字电路的发展相一致的。从a d c 的发展过程来看，许多结构都是首先用双极 电路实现的，随后再将其原理移植到c m o s 电路之中。c m o s 工艺日趋成熟，鉴 1 1 电子科技大学硕士论文 于它本身的低压低功耗，使a d c 功耗和电压驱动自然下降。 3 3 2 高速视频a d 的组成 不同于电视信号的采集，电脑图像采集需要更高的采样率，高速视频a d 也 就孕育而生了。表3 - 1 给出了一些分辨率下的像素速率，例如，x g a 分辨率下需 要9 4 5 m h z 像素速度，但是很多液晶面板刷新频率限制在7 5 h z ，输出的像素频 率只能达到7 8 5 m h z ，因此需要一个视频a d 芯片进行转换。 表3 1 不同分辨率下的像素速度 刷新率像素速率 哟 m 删萄 7 2 4 9 5 0 0 s v g a ( 8 0 0 x6 0 0 ) 7 55 0 0 0 0 8 55 6 2 5 0 7 07 5 0 0 0 x g a 0 0 2 4 x 7 6 鼬 7 57 8 7 5 0 8 59 4 5 0 0 6 01 0 8 0 0 0 s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 ) 7 51 3 5 0 0 0 8 51 5 7 5 0 0 一般的视频a d 转换器，它内部有一个模拟输入的可编程放大器p g a ( p r o g r a m m a b l e g a i na m p l i f i e r ) ，有三个a d 转换器对放大的r g b 信号进行模数转换，并有一 个锁相环( p h 嬲e l o c k e dl o o p ) 从行频中产生像素时钟，还有一个叫做“d i s p l a yt i m i n g g e n e r a t o r 的功能选择模块，产生外部图像处理芯片所需要的各种控制信号，缺一 不可，如图3 2 所示。其中r g b 为模拟输入，i 为输入行频信号，ivs为输入_as 场频信号，r 【x ：o 】，g f x ：o 】，b 【x ：0 】为经过a d 变换后的啦数字信号，oh s 为输 出的行频信号，ov s 为输出场频信号，oc l k 为输出的像素时钟【1 2 1 。 由于在高分辨率下的像素速度有可能高于a d 转换器的最大采样速度，从而 造成像素点遗失。大多数视频a d 解决的方法是奇偶像素交替法。即以一半的像素 频率进行采样，在奇数帧采集到奇数点，偶数帧采集到偶数点，然后组合为一幅 图。例如，在9 4 5 m h z 的x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 分辨率，a d 转换器工作在4 8 m h z 下， 第三章系统的方案设计和组成 这样采集到完整的一幅完整的图像是由实际的奇偶两帧图像拼装而成的，这也就 需要设计者把这些数据储存在一个缓冲区中，提取时进行重新组合。 r g b ih s iv s 厂 p r o g r a m m a b l e g a i na m p l i f i e r p h a s e l o c k e d l o o p ( p l l ) a n a l o gt o d i g i t a l c o n v e r t e r d i s p l a y t l m l n g g e n e r a t o r 图3 - 2 视频a d 的内部组成 3 3 3 几款常用的高速视频a d r 【n ：0 】 g n ：o 】 b i n ：0 】 oh s 0v s o c l k 现在有很多国内外的知名公司都推出了不同功能的视频a d ，而在国内用得 比较多的当属a d i ，t i 和p h i l i p s 等公司的产品，它们结构简单，功能强大，使用 方便，受到了大多数设计人员的喜爱，现就对这三个公司几款著名的产品进行简 单介绍。 a d i 公司的a d 9 8 8 x 系列是其中的佼佼者，其中又以a d 9 8 8 8 和a d 9 8 8 8 4 更 为通用。a d 9 8 8 x 芯片为单( 双) 通道输入，采样精度8 位，最高采样率为2 0 5 m s p s ， 并具有5 0 0 m h z 的模拟带宽，最高能满足分辨率为q x g a ( 2 0 4 8 x 1 5 3 6 ) 、刷新为8 5 h z 的视频输入采样。对于分辨率在1 6 0 0 x 1 2 8 0 以上、刷新率为8 5h z 以上的视频 输入，由于像素速率大于2 0 5 m i - i z ，不能对数据进行直接采样，但可采用奇偶交替 像素采样模式解决，即在第一场先采样奇数点的像素，然后在场消隐时段将采样 时钟平移1 8 0 。后采样第二场的偶数点像素，只要在输出前将奇偶两场的数据合并 在一起成为一幅完整的图像，就可以达到只用1 2 的采样速率采集更高分辨率图 像的目的，a d 9 8 8 x 中的c k i n v 输入引脚可以很方便地实现采样时钟平移1 8 0 。 的功能。a d 的工作模式以及采样时钟频率，r g b 信号输出模式等参数都是由内 部的控制寄存器的值决定，可以通过1 2 c 总线进行设置和修改川【8 l 。 电子科技大学硕士论文 1 1 公司的t h s 8 0 8 3 也是一款很不错的视频a d 芯片，它不但支持r g b ，还 支持y i v 厂y c b c r 色度信号输入，它最高支持x g a ( 1 0 2 4x7 6 8 ) 分辨率和8 0 m h z 的采样频率。单通道输入，双通道输出，8 位精度。t h s 8 0 8 3 内部有完全的数字锁 相环( p u j ，能进行频率检测功能，并能通过1 2 c 总线编程，根据输入行频产生采 样频率，它的波动范围为1 3 8 0 m h z ，还能编程控制输出相位和时钟频率【1 0 1 。 1 1 公司的t v p t 0 0 0 时他最新研制的一款视频a d ，也支持r g b 和y i 膳c b c r 多种输入，最高支持s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 ) ，7 5 h z 的刷新频率，最高能到1 5 0 m h z 的采样频率。它有3 通道输入，单通道输出，采样精度为1 0 位。其他功能和t h s 8 0 8 3 相同【1 1 】。 s a a 6 7 1 3 是p h i l i p s 公司的一款优秀的视频a d 芯片，它不但支持r g b 模式 的v g a 输入，还支持d v i 输入，最高分辨率达到s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 ) ，它有r g b 和d v i 双通道输入，双通道输出，8 位的采样精度。内部带有锁相环，能通过1 2 c 总线配置其采样频率和时钟输出频率，能对色度和亮度型号进行调节，有很好的 采样效果例。 以上几款高速a d 器件各有优劣，例如a d 9 8 8 8 它的采样速率高，能达到 2 0 4 8 x 1 5 3 6 ，但是不支持厂y c b c r 信号输入；而t h s 8 0 8 3 虽然支持多种输入， 可是采样速度很慢，最高只能到1 0 2 4x7 6 8 ；t v p 7 0 0 0 支持较高的分辨率，也有较 高的采样精度，但是没有d v i 数字视频接口；s a a 6 7 1 3 具备了数字模拟接口，但 是支持分辨率较低，采样精度一般。因此要根据不同的设计需要，选择不同性能 的器件，表3 - 2 列出了这几个器件的主要参数，给设计者作为参考。 表3 _ 2 五种视频a d 的参数比较 器件名称采样精度最大采率最大分辨率模拟输入输入方式 ( b r r )( m s p s ) 接口数 a d 9 8 8 4 81 4 0 s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 )1 r g b a d 9 8 8 882 0 5 q x g a ( 2 0 4 8 x1 5 3 6 )2r g b 1 1 s 8 0 8 38 8 0 x g a ( 1 0 2 4 x 7 6 8 ) 1 r g b 删限c b c r t v p 7 0 0 01 01 5 0 s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 ) 3r g b 删n c b c r s a a 6 7 1 381 5 0 s x g a ( 1 2 8 0 x1 0 2 4 )1 r g b d v i 1 4 第三章系统的方案设计和组成 由于我们的系统输入为r g b 色度信号，需要高达1 2 8 0 x1 0 2 4 分辨率的图像 显示和2 0 0 m s p s 的采样速率，所以选择a d 公司的a d 9 8 8 8 芯片。 3 4 外部存储器的选择方案 现在的外部存储器分为两种，一种叫做r o m ( & 0r e a do n l ym e m o r y ，只读式 存储器1 ，此类型存储器常用于存储重要的或机密的数据。理想上认为，此种类型 的存储器是只能读取，而不允许擦写。另一种类型叫r a m ( a pr a n d o ma c c e s s m e m o r y ，随机存取存储器1 ，此类型存储器是我们最常接触的。它允许我们随机地 读写存储器中的数据。使用r a m 来临时存储运行程序需要的数据，如果断电后， 这些存储在r a m 中的数据将全部丢失。由于r a m 读写速度非常快，一般用在存 储量不是很大，需要迅速读写，并且不需要长期记忆数据的场合。r a m 一般分为 s r a m 和d r a m 两种，下面分别介绍。 3 4 1s r a m 和d r a m 的基础知识与比较 s r a m 是“s t a t i c r a m ( 静态随机存储器) ”的简称，之所以这样命名是因为 当数据被存入其中后不会消失( 同d r a m 动态随机存储器是不同，d r a m 必须在 一定的时间内不停的刷新才能保持其中存储的数据) 。一个s r a m 单元通常由4 6 只晶体管组成，当这个s r a m 单元被赋予0 或者1 的状态之后，它会保持这个状 态直到下次被赋予新的状态或者断电之后才会更改或者消失。s r a m 的速度相对 比较快，而且比较省电，但是存储l b i t 的信息需要4 - 6 只晶体管制造成本太高。 d r a m 比s r a m 控制起来要麻烦得多，但同时也比s r a m 便宜得多，而且， 由于每个存储单元只包含一个晶体管，所以，占用的物理空间小，在容量上也可 以做得更大【1 3 1 。d r a m 中较常用的有s d r a m 和d d rs d r a m ： s d r a m 指的是s y n c h r o n o u sd r a m ，是目前使用最为广泛及普通的一种存储 器类型。就如其名字所示，它是同步的，也就是其工作速度与系统总线速度是同 步的，工作时钟周期最小可为5 n s 。 d d r s d r a m 指的是d o u b l e d a t a r a t e s d r a m ，是目前s d r a m 的更新产品， d d rs d r a m 的核心建立在s d r a m 的基础上，但在速度和容量上有了进一步的 提高。相对于现在使用的s d r a m ，理论上d d rs d r a m 存储器可提供双倍于 s d r a m 的速度，这样也将带来双倍的性能。与s d r a m 一样，d d rs d r a m 也 是与系统总线时钟同步的，不同点在于d d rs d r a m 在时钟的上升沿与下降沿时 1 5 电子科技大学硕士论文 都进行数据处理与传输，而s d r a m 只在时钟的上升沿读取数据，因此不需要提 高时钟的频率就能加倍提高s d r a m 的速度，但控制相对复杂。 3 4 2 外部存储器的选择 在图像采集系统中，最高分辨率要求达到1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，而a d 转换器的量化 位数为8 位，且分为r g b 三个通道，因此，我们存储一帧图像至少需要的存储器 容量为： 1 2 8 0 x 1 0 2 4 x 8 x 3 = 3 1 4 5 7 2 8 0b i t = 3 7 5 mb y t e s 约4 mb y t e 。由于需要的容量太大，不可能存放在芯片内部的r a m 中，所以必须 使用外部存储器来解决。从系统时钟来考虑，目前，设计的系统时钟在1 0 0 1 6 6 m h z 之间，对于s r a m ，s d r a m 和d d rs d r a m ，这个时钟都可以满足。所 以，时钟的限制可以忽略。从成本来考虑，在同等容量的存储器中，s r a m 的成 本要比d r a m 的成本高很多。从器件体积考虑，单片s r a m 的容量很小，需要多 片来组合，这样体积就比采用d r a m 的要大很多。从控制的复杂度来考虑，s r a m 的控制最简单，不需要刷新操作，其次是s d r a m ，它的控制难点在于需要刷新操 作，控制最复杂的是d d rs d r a m ，它在时钟的上升沿和下降沿都要进行数据传 输。 综上所述，从单片容量，时钟，体积，控制复杂度等几方面综合考虑，s d r a m 是最佳选择。它的优点是成本低，速度和体积也完全可以满足我们的要求，虽然 控制比s r a m 要复杂一些，但现在都有成熟的解决方案，况且价格比s r a m 便宜 很多，有效的降低了设计成本，因此设计选用s d r a m 。由于d d rs d r a m 时钟 过高，上升沿和下降沿都要进行数据采集，因此控制极为复杂，而s d rs d r a m 采用单沿触发，频率在1 0 0 1 6 6 m h z 之间，有成熟的控制模块，而且价格比d d r s d r a m 低，符合设计要求，最后选择使用s d rs d r a m 3 5s d r a m 操作简介【1 4 1 【1 5 1 1 6 l 随着数据处理技术的进一步发展，对于存储器的容量和性能提出了越来越高 的要求，于是s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 觥， 顾名思义，s d r a m 即同步动态随机存储器，它与系统时钟同步，支持高速总线时 钟频率，在大容量数据存储中得到了广泛的应用，性能价格比很高，成为e d o 1 6 第三章系统的方案设计和组成 d r a m 之后的主要内存。 s d r a m 是一种带同步接口的高速动态随机存储器，这种同步接口和全部为 p i p e l i n e 的内部结构，使它具有非常高的数据传输率。s d r a m 采用了多块( b a n k ) 存储器结构和突发模式，每一个b a n k 通过行列来寻址。b a n k 的数量以及行列地址 的位数主要取决于存储器的容量。 3 5 1 s d r a m 的主要命令介绍 c s # ，r a s # ，c a s # ，w 酣这几个信号的逻辑组合构成了s d r a m 的主要