（计算机科学与技术专业论文）基于fpga的液晶显示处理相关技术研究.pdf

= ；t j2 ：上 原创性声明 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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：逢盏然日期：圣边l 年盈日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：豳鱼丞：导师签名查! 皇：! ：垒日期：兰堡l 年翻丝日 摘要 随着计算机应用技术和视频技术的不断发展，数字图像显示技术在电 子通信和信息处理领域得到了广泛的应用。论文研究并实现了基于f p g a 的液晶显示处理的相关技术，选题具有重要的意义。 论文根据应用需要，设计了一个能自适应地采集不同分辨率和刷新率 下四路图像信号的图像融合系统，从而实现多路视频信号的显示。该图像 融合系统包括采集模块、缩放模块、融合模块、存储芯片控制模块和m c u 接口模块；论文基于f p g a 设计方法详细给出了采集模块和m c u 接口模 块的设计思想，并实现了以a d 9 8 8 8 为核心的自适应模块和f p g a 与 a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 的接口模块；借鉴乒乓算法，论文还研究并设计出了基于 双缓冲区的仲裁方法。论文给出了所设计方法的实验实例，实验测试与分 析表明所给方案可行，对相关研究有参考价值。 图像融合系统选用v i r t e x i vf p g a 为核心器件，并结合了 a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 s 、x c f 3 2 pv 0 4 8 及其他芯片共同组成。视频采集模块， m c u 接口模块与双缓冲区仲裁模块在此系统上均己实现并达到预期效 果，结果令人满意。 关键词f p g a ，视频采集，自适应，接口，仲裁 f i ?： a bs t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fv i d e ot e c h n o l o g ya n dc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t a li m a g ed i s p l a yt e c h n o l o g y i nt h ef i e l do f e l e c t r o n i cc o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gh a sb e e nw i d e l yu s e d t h e s i sr e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ff p g a b a s e dp r o c e s s i n go fr e l a t e d t e c h n o l o g i e sl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y , a n dt o p i ch a st h eg r e a ts i g n i f i c a n c e t h e s i s ， a c c o r d i n gt oa p p l i c a t i o nn e e d s ，d e s i g n e dac o l l e c t i o nc a nb e a d a p t i v et od i f f e r e n tr e s o l u t i o na n dr e f r e s hr a t eu n d e rt h ef o u ri m a g es i g n a l s o fi m a g ef u s i o ns y s t e m ，e n a b l i n gt h ed i s p l a yo fm u l t i p l ev i d e os i g n a l s t h e i m a g ef u s i o ns y s t e mi n c l u d ea c q u i s i t i o nm o d u l e ，s c a l i n gm o d u l e ，i n t e g r a t i o n m o d u l e m e m o r yc h i pc o n t r o lm o d u l ea n dt h em c ui n t e r f a c em o d u l e ；p a p e r f p g a b a s e dd e s i g nm e t h o dg i v e ni nd e t a i la c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h em c u i n t e r f a c em o d u l ed e s i g n a n di m p l e m e n t e dt ot h ec o r eo ft h ea d 9 888 a t 91f r 4 016 2a d a p t i v em o d u l ea n df p g aa n dt h e i n t e r f a c e m o d u l e ； r e f e r e n c ep i n g - p o n ga l g o r i t h m ，t h ep a p e ra l s os t u d i e da n dd e s i g n e db a s e do n t h ed u a l b u f f e ra r b i t r a t i o n p a p e rg i v e se x a m p l e so ft h ee x p e r i m e n t a ld e s i g n ， e x p e r i m e n t a lt e s t i n ga n da n a l y s i ss h o wt h a tt h eg i v e ns c h e m ei sf e a s i b l e ，a r e f e r e n c ev a l u eo ft h er e l a t e dr e s e a r c h i m a g ef u s i o ns y s t e ms e l e c t e dv i r t e x i vf p g ac o r ed e v i c e s c o m b i n e d w i t ht h ea t 91f r 4 0l6 2 s ，x c f 3 2 pv 0 4 8 。a n do t h e rc h i p s v i d e oc a p t u r e m o d u l e ，m c ui n t e r f a c em o d u l ea n dt h ed o u b l eb u f f e ra r b i t r a t i o nm o d u l ei n t h i ss y s t e ma c h i e v et h ed e s i r e da n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s f p g a ，v i d e oc a p t u r e ，a d a p t i v e ，i n t e r f a c e ，a r b i t r a t i o n l i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章引言l 1 1研究背景l 1 2国内外研究现状2 1 2 1v g a 信号自适应2 1 2 2 双缓冲区自适应2 1 3本文工作与组织结构3 1 3 1 本文工作3 1 3 2 内容安排3 第二章系统的组成和方案设计5 2 1系统简介5 2 2开发板设计6 2 3f p g a 与f p g a 设计9 2 3 1f p g a 简介9 2 3 2i p 核技术1 1 2 3 3f p g a 设计流程l l 2 4本章小结1 2 第三章v g a 信号的自适应与视频信号采集的研究1 3 3 1视频与采集知识简介1 3 3 1 1 视频信号简介1 3 3 1 2 数据采集原理1 5 3 2v g a 自适应的传统方法1 8 3 2 1 手动配置1 9 3 2 2 测量频率1 9 3 3v g a 自适应的实现1 9 3 3 1 判断参数1 9 3 3 2 修改参数2 1 3 4 v g a 采集模块中其他子模块的设计2 2 3 4 1 数据格式转换2 4 3 4 2 数据筛选2 4 3 4 - 3 数据缓存一2 7 3 4 4 地址计算2 8 3 5v g a 采集模块实现3 1 3 6p a l 采集模块的实现3 3 3 6本章小结：3 4 第四章m c u 接口模块的研究与设计3 5 4 1m c u 接口模块性能需求3 5 4 2m c u 接口模块设计3 5 4 2 1m c u 接口选择3 5 i i i 4 2 2m c u 的e b i 的读写研究3 7 4 2 3 参数一致性的研究3 8 4 3 4 中断相应的研究3 9 4 2 5 时钟域的划分4 0 4 3m c u 接口模块的实现4 1 4 4本章小结4 4 第五章基于双缓冲区的仲裁方法的研究4 5 5 1 仲裁模块产生背景4 5 5 2 传统的仲裁方法：4 5 5 2 1 已有的仲裁方法4 5 5 2 2 已有的仲裁方法所存在的问题4 6 5 3基于双缓冲区仲裁模块的设计4 6 5 - 3 1 仲裁模块的功能4 6 5 3 2 仲裁模块的原理4 7 5 4 仲裁模块的实现。4 9 5 5本章小结。5 3 第六章总结与展望5 5 6 1 全文总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢。6 3 攻读学位期间主要的研究成果目录6 4 w 硕十学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 随着计算机硬件、软件技术的迅猛发展，视频图像技术的应用r 渐增多。视频图 像具有直观、生动的特点，因此视频处理技术受到越来越广泛的关注和研究，并在军 事工业、工程技术、模拟训练、游戏和娱乐、虚拟现实等领域得到应用。 本论文的课题背景是设计一款大小为9 0 m m 9 0 m m 视频处理卡，这款视频处理 系统支持四路视频输入：2 路模拟v g a 输入，2 路p a l - d 视频输入，其中l 路单端 模拟r g b h v l 视频支持分辨率6 4 0 4 8 0 1 6 0 0 1 2 0 0 ；l 路单端模拟r g b h v 2 视频 支持分辨率6 4 0 x 4 8 0 - - - 一1 2 8 0 1 0 2 4 ；2 路p a l d 格式分量视频；可对输入的4 路中 的任意三路视频信号进行叠加显示。可对每路视频信号进行任意大小缩放、拖动、融 合等各种处理。支持每路任意部分的1 6 4 6 4 倍的缩放，支持l 路模拟r g b 输出，支 持分辨率达到u x g a ( 1 6 0 0 x1 2 0 0 6 0 h z ) 。支持1 路l v d s 和r g b ( 2 4 b i tt t l 和 4 8 b i tt t l ) 输出。 ， 因为本课题是应用于特殊领域，故对于稳定性和实时性有很高的要求，并且对体 积和功耗有严格的限制。由于需求的特殊性，国内外很少有类似的产品心1 。而使用市 面上比较成熟的视频采集卡，视频处理芯片等，均为商业级电器元件，其稳定性和运 行环境要求均无法满足军工项目的需求，所以使用这些成熟的产品，采用传统的电路 设计方法来实现这款视频处理卡，则不但体积、功耗、性能等均无法满足要求，而且 设计难度过高，过程过于复杂，制作成本也非常的高。 而可编程逻辑门阵列( f p g a ) 由于其具有开发简单、静态可重复编程等特点， 已经成为当今应用最为广泛的专用芯片( a s i c ) 【”。使用f p g a 来实现图像处理系统， 可减少体统的体积和功耗，而且用f p g a 可以设计一个统一的接口来接受整个系统的 参数，使灵活性得到了增强，满足了不同的应用要求。所以本论文旨在基于f p g a 的 芯片内，设计并实现一个采集v g a 、p a l 信号的模块，实现一个m c u 接口模块，并 结合m c u 模块实现对v g a 信号的自适应性，同时设计一个仲裁模块，协调好采集 模块与后续模块的时序关系。 硕十学位论文第一章引言 1 2 国内外研究现状 近几年来，视频处理处理技术与e d a 技术迅速发展，其基本理论和应用也不断 成熟。本论文旨在基于f p g a 的芯片内，设计并实现一个采集v g a 、p a l 信号的模 块，可以做到系统对v g a 信号的自适应；设计一个仲裁模块，协调好采集模块与后 续模块的时序关系。这两方面国内外有许多优秀的方法可以借鉴。 1 2 1v g a 信号自适应 本系统的信号源之一是v g a ( v i d e og r a p h i ca r r a y ) 信号，由于显示终端和显示 效果的不同，v g a 分为多种分辨率与刷新率。由于分辨率和刷新率的不同，视频信 号的像素频率等一些参数也是不同的。所以当v g a 信号发生变化时，v g a 采集芯片 和采集模块中数据过滤时所使用的参数都要做相应的变化，才能采集到的v g a 信号。 常见的方法有两种： 1 手动配置 文献 2 】中所设计的v g a 采集卡对v g a 信号变化所采用的方法是在处理器上把 各种分辨率下所用的参数设置好后，根据用户选用的分辨率调用不同的参数进行配 置。 2 测量频率 文献 4 】在检测v g a 信号方面提出频率计的思想使用直接测量法，即直接将 h s 和v s 信号作为计数时钟。在输入到h s 和v s 信号计数模块的基准时钟的高电平 开始对h s 和v s 信号的计数，在基准时钟的低电平时停止保持计数，并保存计数值。 通则这两个计数值来判断v g a 信号的参数，并对系统进行参数更新。 1 2 2 双缓冲区自适应 由于v g a 信号源的分辨率、刷新率等参数是可变的，所以当出现v g a 分辨率或 刷新率发生变化时，采集模块单位时间内收到的像素个数是不同的，即v g a 信号的 像素时钟频率是随着v g a 信号源的变化而变化。由于使用像素时钟采集模块和使用 系统时钟信号后续模块的时钟关系具有不确定性，且两个模块操作的存储空间为保持 一帧图像信息的完整性而具有排他性，即采集模块和后续模块其中一方在操作完一帧 图像数据之前，另一方不可对此存储空间进行操作。因此，对采集模块和后续模块的 存储空间仲裁将成为制约整个系统速度的瓶颈。 国内外对待此类问题的最主要方法就是使用乒乓技术来控制两个f i f o 。文献 6 】 中提到，由于q u a r t u s i i 提供的f i f o 模块效率比较低，其读写操作不能同时进行：写 硕一卜学位论文 第一章引言 f i f o 时读等待，直到f i f o 写满才能开始读；读f i f o 时写等待，直到f i f o 读空时 才能开始写。所以利用乒乓操作的优势，设计了种更高效的异步f i f o 实现方式。 文献 7 】在进行图像转换的过程中，也采用基于乒乓操作的双f i f o 来缓解前后两个模 块速度不匹配这一矛盾。 1 3 本文工作与组织结构 1 3 1 本文工作 本文主要工作是设计一个图像融合系统，能白适应地实现采集不同分辨率和刷新 率下的4 路图像信号，通过参数对这4 路图像进行缩放与融合后，输出到液晶显示器 上。最终成果是在完成一个对经过a d 转换后的视频信号进行采集的同时，使系统做 到对v g a 信号的变化具有自适应性，同时还能尽量缓解视频信号的采集速度与处理 速度不匹配的矛盾，从而实现一个可显示多路视频信息的系统。 1 完成v g a 、p a l 视频信号采集模块的设计，做到了整个系统对v g a 信号的 自适应； 2 完成m c u 接口模块的设计，实现f p g a 与m c u 之间的数据交互； 3 完成仲裁模块的设计，来实现两个时钟关系未知的模块对一具有排他性资源访 问； ? 1 3 2 内容安排 本文结合图像融合系统的特点，简单介绍了图像融合系统的组成，并在此基础上 讨论了图像采集模块的设计，m c u 接口模块的设计与仲裁模块的设计。本文的安排 如下： 第一章简单介绍了图像融合系统的特点与要求，研究背景，具体工作以及论文的 框架结构与编写顺序。 第二章详细介绍了论文相关的图像融合系统的整体结构组成，对这一图像处理平 台的逻辑结构做了相应的说明，介绍了整个平台的工作流程并逐阐述了各个模块的 功能；介绍了f p g a 的相关知识及所使用的f p g a 与e p r o m 芯片的型号、性能与参 数；最后介绍了主流的两大硬件描述语言和i p 核技术并详细介绍了f p g a 的设计流 程。 第三章首先介绍了本课题所涉及到的v g a 、p a l 等一些视频信号格式的知识， 并对数据采集原理做了的简单的阐述。在说明v g a 信号与p a l 信号采集模块的设计 过程中，重点介绍了v g a 采集模块的设计方法和整个系统对v g a 信号的自适应性。 硕上学位论文第一章引言 本章的创新点是通过一个监听模块和m c u 来实现对v g a 信号变化对整个系统做实 时的相应，使系统在不重启的情况下自动对v g a 信号的变化自动做出响应。 第四章介绍了f p g a 与m c u 的各种通信方式，并详细讨论了m c u 接口模块的 设计方法，数据一致性的实现方法。本章的创新点是采用f p g a 实现了与基于 a r m 7 t d m i 内核的嵌入式芯片a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 进行交互的m c u 接口模块，在实现与 m c u 通信的同时，保证了传入数据的实时性和一致性，为实现实时图像融合系统的 动态配置铺平了道路，也为其他各个模块的调试提供了方便。 第五章主要介绍了f p g a 中，前后两个速度不同的模块对一个排他性资源访问时 会出现一些问题，在分析了一些常用方法的同时，借鉴乒乓算法设计一个仲裁器，来 控制两个缓冲区，从而改善了显示效果，使图像从不完整变成了滞留，提高了显示效 果，并降低了设计的难度。 第六章对全文进行了总结，并对相关课题做了一些展望。 4 硕七学位论文第- 二章系统的组成和方案设计 2 1 系统简介 第二章系统的组成和方案设计 这款图像融合系统的功能是通过4 路a d 转换芯片，将2 路v g a 与2 路p a l 信 号转换成数字信号，并通过采集模块将4 路图像的数据存入一组存储芯片中，缩放模 块从这组存储芯片中分别取出每一路图像数据，并根据参数对其进行整体或局部的缩 放，将结果存入到另一组存储芯片中，融合模块将缩放模块对4 路图像数据的处理结 果读出，并按照参数显示在显示器相应的位置上，其中重叠部分由融合模块根据各路 图像所对应的a l p h a 值进行融合后显示。系统的逻辑结构如图2 1 所示。 图2 - 1图像融合系统逻辑结构图 g a 现对各个模块的功能进行说明： 1 采集模块 采集模块的作用是对通过a d 转换芯片的数字视频信号进行处理，去除掉视频信 号前肩、后肩的无效数据后，将视频信号存入到s d r a m 中的指定位置。 2 缩放模块 缩放模块的作用是从s d r a m 中取出一帧图像，按照事先所获得的参数，对图像 硕十学位论文 第二章系统的组成和方案设计 进行相应的缩放，并将处理后的视频图形存入到s d r a m 中的指定位置。 3 融合模块 、 融合模块的作用是从s d r a m 中取出多路视频信号，将其组合成一路视频信号， 其中重合的部分根据参数进行融合处理，并将处理完的视频信号输出到液晶显示器 上。 4 存储芯片控制模块 顾名思义，存储芯片控制模块的作用是接收其他各个模块所传的参数，将数据存 储到s d r a m 中指定的位置或从s d r a m 的指定位置读出数据。 5 m c u 接口模块 m c u 接口模块是连接f p g a 与m c u 的桥梁，f p g a 与m c u 的参数通过m c u 接口模块来传输。 图像融合系统的处理需要完成从a d 转换、采样、缩放、融合等一系列工作，其 系统数据流程图2 2 如图所示： 图2 - 2图像融合系统数据流程图 四路视频信号通过采集、缩放与融合叠加后，变为一路v g a 视频信号，显示在 l e d 显示终端。 2 2 开发板设计 基于这款图像融合系统的开发板提供了x i l i n xv i r t e x i vf p g a 芯片、8 mx3 2 的 6 硕一i 二学位论文第二二章系统的组成和方案设计 d d r s d r a m 存储器、两个时钟源、r s 2 3 2 串口和其他的控制电路。它的低压差分 信号接口提供了3 2 位的数据传输能力，x i l i n xi s e 开发套件通过j t a g 接口调试程序。 设计开发板的结构图如2 3 所示。 1 x c 4 v l x l 0 0 系统中的f p g a 使用的是x i l i n x 公司v i r t e x i v 系列中的x c 4 v l x l 0 0 ，它的架构 是基于新的高级硅片组合模块( a s m b l ) 架构( s j ，对使用逻辑的电路设计了大量的优 化，提供了低成本优势的高性能逻辑和i o 接口，以及较高的逻辑密度和。v i r t e x i vl x 系列提供了多达2 0 0 ，0 0 0 个的逻辑单元，以及嵌入式块r a m 、数字时钟管理( d c m ) 模块最高提供近5 0 0 m h z 的时钟、p m c d 相位匹配时钟分频器、片上差分时钟网络、 采用集成f i f o 控制逻辑的5 0 0m h zs m a r t r a m 技术、每个i o 都集成了c h i p s y n c 源同步技术的1g b p si o 和x t r e m e d s p 算术功能，适合处理多种市场中的高密度和 高性能的逻辑应用。 2 x c f 3 2 p x c 4 v l x l 0 0 匹配的配置芯片是x i l i n x 公司的x c f 3 2 p ，它可以快速的下载，可 以确保最终的系统级设计的需求【8 】。x c f 3 2 p 的存储容量为3 2 m b i t ，该芯片支持f p g a 串行与并行的配置接口，并且能够存储多个设计版本来用于动态配置，其内部还具有 7 硕士学位论文 第二章系统的组成和方案设计 兼容x i l i n x 高级压缩技术的数据解压缩器。 x c f 3 2 p 具有以下几个特点： ( 1 ) 它内部具有一个可选的振荡器，经c l k o u t 管脚输出，可用于f p g a 从 模式配置的时钟源； ( 2 ) 内部嵌有兼容x i l i n x 高级压缩技术的数据解压缩器，压缩文件由目标f p g a 的b i t 流文件生成。当使用解压缩器时，f p g a 处于从配置模式，x c f 3 2 p 先解压存储 在其内部的数据，再驱动时钟，并把数据到f p g a 接口。 3 a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 s a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 s 是基于a r m 7 t d m i 处理器内核的芯片，其集成了2 5 6 k b 的片内 3 2 为s r a m 和1 0 2 4 k 字的1 6 位f l a s h 存储器、a t 9 1f l a s hu p l o a d e r 的驻留引导软件( 其 能够通过串口向f l a s h 存储器加载应用软件) 、完全可编程的外部总线接口e b i 、具有 8 个优先级且可以独立屏幕的向量中断控制器、3 2 个可编程的i o 口线、3 通道的1 6 为定时器计数器、2 个通用同步异步收发器u s a r t ，具有可编程的看门狗定时器和 先进的省电特性，完全静态操作，最大工作频率高达7 5 m h z ，使用a r m 指令集工作 于6 6 m h z 可以获得6 0 m i p s 的高性能，i o 工作范围2 7 3 6 v ，内核工作范围1 6 5 1 9 5 v 、运行温度范围4 0 8 5 ，封装形式为1 2 1 b a l l1 0 m m x1 0 m m 1 2 m m 的b g a 封装。这些特点使以微处理器a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 s 为核心的硬件系统设计比较简洁，稳定 性和性价比大幅提高【1 1 , 1 2 】。 4 a d 9 8 8 8 对v g a 的模拟信号，使用a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 9 8 8 8 芯片进行模数转 换与采集。a d 9 8 8 8 是a n a l o gd e v i c e s 公司的高速视频采集芯片，该芯片为双 通道输出，采样精度8 位，最高采样率为2 0 5 m s p s ( s p s ：s a m p l e sp e rs e c o n d ) ，并具 有5 0 0 m h z 的模拟带宽，最高能满足分辨率为2 0 4 8x1 5 3 6 、刷新为7 5 h z 的视频输 入采样。芯片的工作电压为3 3 v ，容易得到，并有节能模式【1 4 】。芯片面积1 7 4 0 m m 2 3 4 0 m m ，1 2 8 p m q f p 封装，工作温度0 + 7 0 ，储藏温度6 5 c - - 一+ 1 5 0 c ，工 作电压3 3 v ，功率小于l w 。 5 a d v 7 4 0 1 在p a l 路，选择a n a l o gd e v i c e s 公司的a d v 7 4 0 1 。该款芯片1 0 位数模转 换采样频率可达到1 4 0 m h z ，有1 2 路模拟信号输入通趔1 5 】。具有内部滤波器，支持 n t s c 】限u s e c a m 三种彩色格式。具有8 - b i ti t u rb t 6 5 6 、1 6 - b i ty c r c b 、2 4 - b i t y c r c b 等多种输出接i = 1 。芯片面积1 6 2 0m m x1 6 2 0m m ，1 0 0 p l q f p 封装，工作温 度温标达到工业级水平( 4 5 + 8 0 ) ，储藏温度6 5 + 15 0 。数字核工作电压 为1 8 v ，工作电流为1 3 7 m a ，数字i o 工作电压为3 3 v ，工作电流为1 9 m a ，锁相环 工作电压为1 8 v ，工作电流为1 2 m a ，逻辑工作电压为3 3 v ，工作电流为2 4 2 m a 。 功率合计1 1 3 w 。 8 硕士学位论文第二章系统的组成和方案设计 a d v 7 4 0 1 芯片主要有s d p 和c p 这两种工作模式：s d p 模式实现r g b 和y u v 数据信弓的相互转换，c p 模式实现n t s c p a l s e c a m 制式信号转换为数字信号 ( r g b u v ) 输出。 开发板的最终成品图如图2 4 所示。 图2 - 4图像融合系统实物图 板中左边的接口分别是两路v g a 接口与两路p a l 接口，四路视频信号由这四个 接口输入系统，通过缩放、融合等操作后，组合成一路v g a 信号，通过板中右下角 的v g a 接口输出。 2 3f p g a 与f p g a 设计 2 3 1f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，它是 在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物【1 6 1 7 1 。它是作为专用 集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路功能不灵活 这一不足，又克服了原有可编程器件门电路数量有限的这一缺点。使用f p g a 器件不 但可以大大缩短系统的研制周期，减少资金的投入，而且可以将原来的电路板级产品 集成为芯片及产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便的对设计进 9 硕十学位论文 第二章系统的组成和方案设计 行在线修改。 f p g a 内部包括可编程逻辑模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、可编程输出输 入模块l o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和互连资源( i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) 三个部分【18 1 ， 其结构如图2 5 所示： d 口口口口口口口 口口口口口口口口 图2 - 5f p g a 内部结构图 q ，编挥开关簪阵 孵编程输入输出模块 甄连资源 酊编摊逻辑模块 可编程逻辑块( c l b ) 是实现逻辑功能的基本单元，他们通常规则地排列成一个 阵列，分布在整个芯片内；可编程输入输出模块( i o b ) 主要完成芯片上的逻辑与外 部封装脚的接口，它通常排列在芯片的四周；可编程互连资源( i r ) 包括各种长度的 连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个c l b 之间或c l b 、i o b 之间连接起来， 从而构成了特定功能的电路。 对茂 通过 将e 通过 口口 口口 口口 口口 硕十学位论文 第二翥系统的组成和方案设计 j t a g 图2 - 6f p g a 配置过程 掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，f p g a 能够反复使用。 当需要修改f p g a 功能时，只需修改e p r o m 即可。这样，同一片f p g a 通过不同的 编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，f p g a 的使用非常灵活。 。 2 3 2i p 核技术 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 核是一种具有特定功能的电路逻辑块，它运用在产品引 用专用集成电路或者可编程逻辑器件。数字电路中将比较常用但结构较为复杂的功能 块，如滤波器，存储器控制器，p c i 接口等设计成可修改参数的模块，在电路设计中 可以直接调用这些模块，这样就大大减轻设计负担和工作量。随着f p g a 的规模越来 越大，设计越来越复杂，使用i p 核是电路设计的一个发展趋势。 i p 核分三类：软核( s o ri p c o r e ) 、固核( f i r mi p c o r e ) 和硬核( h a r di p c o r e ) 。 2 3 3f p g a 设计流程 、 一个完整的f p g a 设计流程包括设计输入、综合、功能仿真( 前仿真) 、实现、 时序仿真( 后仿真) 、配置下载等主要步骤，如图2 7 所示。 图2 7f p g a 设计流程图 硕上学位论文第二章系统的组成和方案设计 由图可知f p g a 设计是一个循环迭代的过程，下面分别介绍各个设计步骤的具体 内容。 1 设计输入 常用的设计输入包括使用硬件描述语言h d l 、状态图与原理图输入这三种方式。 常用的开发方式是以h d l 语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自的 优势。 常见的硬件描述语言各有所长，v e r i l o gh d l 偏重于硬件，底层统合做得非常好； v h d l 的逻辑综合就较之v e r i l o gh d l 要出色。 2 设计综合 综合就是针对给定的电路实现功能和约束条件，如速度、功耗、成本及电路类型 等。通过计算机对电路进行优化处理，获得一个能满足上述约束要求的电路设计方案。 3 仿真验证 仿真验证指的是使用设计软件模拟实际物理环境下的工作情况，对已实现的设计 进行完整测试。仿真又分为前仿真与后防真，后仿真是在前仿真的基础上提取有关的 器件延迟、线路延时等时序参数进行的仿真。 4 设计实现 实现是用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局， 选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并产生相应文件( 如配置文件与 相关报告) 。 5 时序分析 在设计实现过程中，在映射后需要对整个设计的功能模块的延时和估计的布线延 时进行时序分析，而在布局布线以后，也要对实际布局布线的功能模块延时和实际布 线延时进行静态时序分析。 ，6 下载验证 下载是在功能仿真与时序仿真都正确的前提下，将综合后形成的b i t 流文件下载 到具体的f p g a 芯片中，所以也叫作芯片配置。f p g a 设计有两种配置形式：直接由 计算机经过专用下载电缆进行配置和由外围配置芯片进行上电时自动配置。 2 4 本章小结 本章主要介绍了论文相关的图像融合系统，对这一图像处理平台的逻辑结构做了 相应的说明，介绍了整个平台的工作流程并逐一阐述了各个模块的功能；介绍了f p g a 的相关知识及所使用的f p g a 与e p r o m 芯片的型号、性能与参数；最后介绍了f p g a 的设计流程。 1 2 硕十学位论文 第三章v g a 信号的臼适应j 视频信号采集的研究 第三章v g a 信号的自适应与视频信号采集的研究 3 1 视频与采集知识简介 3 1 1 视频信号简介 。 。 本系统中的视频信号源共有四路两路v g a 信号与两路p a l 信号。下面简单 介绍一下两种视频型号的特点。 1 v g a 视频信号简介 v g a 接口，即视频图形阵列，也叫d s u b 接口，是1 5 针的梯形插头，分成3 排， 每排5 个，传输模拟信号1 2 l 】。v g a 接口采用非对称分布的1 5 针连接方式，其工作原 理：是将显存内以数字格式存储的图像( 帧) 信号在r a m d a c 罩经过模拟调制成模 拟高频信号，然后再输出到显示设备成像。 v g a 接口定义如图3 1 和表3 1 ： 5 各个引脚的定义如下： 图3 - 1v g a 接口图 表3 1v g a 接口引脚定义 管脚定义 l红基色r e d 2 绿基色g r e e n 3蓝基色b l u e 4地址码i db i t 1 3 硕上学位论文 第三章v g a 信号的自适应与视频信号采集的研究 5自测试( 各家定义不同) 6 红地 7 绿地 8 蓝地 9保留( 各家定义不同) 1 0 数字地 1 1 地址码 1 2 地址码 1 3 行同步 1 4 场同步 1 5地址码( 各家定义不同) v g a 由于良好的性能迅速开始流行，厂商们纷纷在v g a 基础上加以扩充，如将 显存提高至1 m 并使其支持更高分辨率如s v g a ( 8 0 0 6 0 0 ) 或x g a ( 1 0 2 4 7 6 8 ) ， 这些扩充的模式就称之为视频电子标准协会v e s a ( v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d s a s s o c i a t i o n ) 的s v g a ( s u p e rv g a ) 模式，现在显卡和显示设备基本上都支持s v g a 模式。 表3 - 2v g a 视频标准 s t a n d a r dr e s o l u t i o n r e f r e s hh o r i z o n t a lp i x e l r a t e ( h z ) f r e q u e n c y ( k h z )r a t e ( m h z ) v g a6 4 0 4 8 06 0 3 1 5 2 5 1 7 5 7 2 3 7 73 1 5 0 0 7 53 7 53 1 5 0 0 8 54 3 33 6 0 0 0 s v g a8 0 0 6 0 05 6 3 5 13 6 0 0 0 6 0 3 7 94 0 0 0 0 7 24 8 15 0 0 0 0 7 54 6 94 9 5 0 0 8 5 5 3 7 5 6 2 5 0 x g a 1 0 2 4 7 6 86 04 8 46 5 0 0 0 7 05 6 57 5 0 0 0 7 56 0 07 8 7 5 0 8 06 4 08 5 5 0 0 8 5 6 8 3 9 4 5 0 0 1 4 硕上学位论文第三章v g a 信号的自适应与视频信廿采集的研究 s x g a 1 2 8 0 1 0 2 46 06 4 01 0 8 0 0 0 7 5 8 0 0 1 3 5 0 0 0 8 59 1 11 5 7 5 0 0 u x g a 1 6 0 0 1 2 0 06 07 5 o1 6 2 0 0 0 6 5 8 1 31 7 5 5 0 0 7 08 7 51 8 9 0 0 0 7 59 3 82 0 2 5 0 0 8 51 0 6 32 2 9 5 0 0 以上便是一些常见的v g a 格式，由于v g a 的分辨率跨度很大，所以v g a 视频 信号在现实中有着广泛的应用。 2 p a l 视频信号简介 p a l ：p a l 是p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e ( 逐行倒相) 的缩写。p a l 制式一是由西德在 1 9 6 2 年指定的彩色电视标准。它克服了n t s c 制式因相位敏感造成的敏感失真的缺 点。德国、英国、新加坡、中国及香港、澳大利亚、新西兰、等国家采用的是这种 制式。p a l 制式每秒2 5 帧画面，电视扫描线为6 2 5 线，奇场在前，偶场在后，标准 的数字化p a l 电视标准分辨率为7 2 0 5 7 6 ，2 4 b i t 的色彩位深，画面的宽高比为4 ： - 2 2 - 2 4 1 ，o p a l 电视标准，每秒2 5 帧，电视扫描线为6 2 5 线，奇场在前，偶场在