（信号与信息处理专业论文）高分率cfa图像实时重构及其vga显示控制器设计.pdf

太原理_ 大学硕十研究生学位论文 高分辨率c f a 图像实时重构及其v g a 显示控制器设计 摘要 随着视频展台图像传感器分辨率的不断提高，实时显示活动图像的 技术成为产品的核心研究课题。目前通用的解决方案是d s p + a s i c 芯片， 其中d s p 实现把贝尔模板c f a 图像重构为全彩图像的c f a 插值算法， a s i c 芯片负责把d s p 生成的低帧率全彩图像提升为标准v g a 显示接口 的帧率。本课题提出了采用f p g a 实现替代d s p + a s i c 构架的设计方案。 本课题针对以下三个方面进行研究并取得一定的成果： ( 1 ) f p g a 开发平台的硬件实现 选用x i l i n x 公司的x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 6 c 作为核心器件，采用c m o s 图像传感器模组o v 9 6 5 0 作为c f a 图像输入源，双s d r a m 作为帧缓存， 搭建f p g a 的硬件开发平台。 ( 2 ) 用v h d l 语言实现实时双线性插值算法 分析研究c f a 图像插值算法，实现了基于f p g a 的实时双线性插值 算法，能够对输入是每像素8 b i t 、分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 的c f a 贝尔模板 图像数据完成实时重构，输出是每像素1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) 、分辨率为 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0 2 4 7 6 8 的图像数据。 ( 3 ) 基于f p g a 实现高分辨率双缓存v g a 显示控制器 用v h d l 语言构建双缓存v g a 显示控制器，实现对输入是每像素 1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) 、分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 、帧频低于2 0 h z 的逐行图像进行 频率提升，输出图像格式是x g a 6 0 h z 。 关键词：f p g a ，c f a 图像插值，显示控制器，频率提升 i i 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g n i n g0 fr e a l t 1 m e r e c o n s t r u c t i o na n dv g ad ls p l a yc o n t r o l l e r o fh i g hr e s o l u t i o nc f ai m a g e a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fv i d e oe x h i b i tt a b l ei m a g es e n s o rr e s o l u t i o n ，t h e t e c h n o l o g yo fr e a l t i m ed i s p l a ym o v e m e n ti m a g ei sb e c o m i n gt h ek e r n e l r e s e a r c ht a s ko f p r o d u c t a tp r e s e n t , c u r r e n ts o l u t i o ni sd s p + a s i c c h i p ，d s p i m p l e m e n t sc f ai n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m , w h i c hr e c o n s t r u c t sb a y e rt e m p l a t e c f ai m a g et oc o l o ri m a g e ，a s i cc h i pu p g r a d e st h el o wf r a m ef r e q u e n c y c o l o ri m a g eo fd s pp r o c e s s e dt ot h es t a n d a r df l a m ef r e q u e n c yo fv g a d i s p l a yi n t e r f a c e t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dad e s i g ns c h e m e ，w h i c hu s e s f p g a s u b s t i t u t i n gd s p + a s i c t r u s s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h et h r e ea s p e c t sb e l o wa n da c h i e v e ss o m er e s u l t s ： ( 1 ) h a r d w a r ei m p l e m e n t i n go f f p g ad e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h i s p a p e ra d o p t st h ex c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 - 6 - co fx i l i n xc o m p a n ya s k e m e ld e v i c e ，c h o o s e sc m o si m a g es e n s o rm o d u l eo v 9 6 5 0t ob et h ec f a i m a g ei m p o r t s o u r c e ，r e g a r d st w op i e c e so fs d r a m a sf r a m eb u f f e rm e m o r y , b u i l d sh a r d w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o r mo f f p g a ( 2 ) u s i n gv h d ll a n g u a g ei m p l e m e n t sr e a l - t i m eb i l i n e a ri n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h m l i i 太原理r 大学硕十研究生学位论文 b ya n a l y z i n gc f ai m a g ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，i m p l e m e n t sr e a l t i m e b i l i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mb a s e do nf p g a ，f o rt h ei m p o r tc f ab a y e r t e m p l a t ei m a g ed a t a o f8 b i t p e r - p i x e la t 10 2 4 x 7 6 8 ，c o m p l e t e sr e a l - t i m e r e c o n s t r u c t i o n ，t h ee x p o r ti m a g ei s1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) p e r - p i x e la t1 0 2 4 7 6 8 ( 3 ) t h er e a l i z a t i o no fh i l g hr e s o l u t i o nd o u b l eb u f f e rm e m o r yv g a d i s p l a yc o n t r o l l e rb a s e do nf p g a u s i n gv h d ll a n g u a g ec o n s t r u c t sd o u b l eb u f f e rm e m o r yv g ad i s p l a y c o n t r o l l e r , f o rt h ei m p o r ti m a g eo f16 b r ( r g b 5 6 5 ) p e r - p i x e la n df l a m e f r e q u e n c yl o w e rt h a n2 0 h za t10 2 4 x 7 6 8 ，i m p l e m e n t sf r e q u e n c yu p d a t i n g ，t h e f o r m a to fe x p o r ti m a g ei sx g a 1 6 0 h z k e yw o r d s ：f p g a ，c f a i m a g ei n t e r p o l a t i o n ，d i s p l a yc o n t r o l l e r , f r e q u e n c y u p g r a d i n g i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 法律责任由本人承担。 日期：矽彩亭、 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：酝印峰日期： 洲，j 参 导师签名：日期： 删文i y 太原理工人学硕十研究生学侍论文 1 1c m o s 图像传感器 第一章绪论 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 即互补性金属氧化物半导体， 其在微处理器、闪存和a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的半导体技术上 占有绝对重要的地位【l l 。c m o s 和c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 一样都是可用来感 受光线变化的半导体。c m o s 主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，通过 c m o s 上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能，这两个互补效应所产生的电流 即可被处理芯片记录和解读成影像。 c m o s 和c c d 图像传感器读取图像的方式不同。在c c d 图像传感器上，光通 过光敏二极管转化为电荷后，通过c c d 芯片再传递到转换器，最终信号被放大。而 c m o s 传感器的每个像素都具有一个放大器，能够放大每个像素的信号。因此，c m o s 比c c d 传感器具有更快的数掘读取速度。c m o s 传感器不需要c c d 必需的多种操 作电压，能够在芯片上集成更多的外围电路。更重要的是，c c d 制造需要非常特殊 的工艺，目前全球掌握这一工艺的公司很少；但c m o s 采用的是通用的工艺，芯片 厂商基本上都可以生产，一旦技术成熟，其普及速度将非常迅猛。 时至今日，c m o s 图像传感器得到了广泛的应用，包括数字相机、p c c a m e r a 、 影像电话、第三代手机系统、视讯会议、视频展台、汽车倒车雷达、玩具、以及工业、 医疗等用途。由于使用层面广泛，故非常有利于c m o s 产品的普及。c m o s 不但体 积小，而且耗电量也不到c c d 的1 1 0 ，售价也比c c d 便宜1 3 ，画质已接近低分辨 太原理工大学硕十研究生学付论文 率的c c d ，国内相关业者己开始采用c m o s 替代c c d 。 1 2c f a 图像插值算法 对于c m o s 图像传感器，考虑成本和包装，致使图像色彩以降采样的方式捕获。 典型的原始数据采集方法是将每个像素仅保留三个主要颜色成分红、绿、蓝中特定的 一种。产生降采样的彩色图像是通过c f a ( c o l o rf i l t e r a r r a y ) 彩色滤镜阵列【2 1 获得。 彩色滤镜阵列是覆盖在电子传感器阵列表面的类似于带通滤波器的一些光学材料。主 要作用是让每个像素只感受单一颜色的光子到达传感器，阻挡其它颜色的光子。c f a 结构中最流行的是贝尔( b a y e r ) 模板1 2 1 ，如图1 - 1 所示。在本课题中，o v 9 6 5 0 1 3 1 提 供的就是这种格式的生数据。为了得到全彩图像，需要用插值算法对每个像素缺少的 颜色进行补插，这样的算法通常称为c f a 图像插值算法。 图l l 贝尔模板构成的c f a f i g u r e l ic f ao f b a y e r t e m p l a t ec o m p o n e n t 在过去的数十年，由于数字图像设备市场的迅速发展，这个领域的研究与开发越 来越受到关注，有很多c f a 插值算法随之产生。其中主要算法有： ( 1 ) 最邻近像素插值算法 是最简单的一种插值算法【2 1 ，图像中每个像素丢失的颜色通过直接使用与之相 邻的像素中相同的颜色成分合成。邻近像素可以是该像素周围上、下、左、右的像素。 2 太原理r 人学硕十研究生学位论文 这种算法咐一的优势就足讨剪 i 小，j 五台时速度要求很高的成川。纵i m ，”币失真使 它小被像岛分虏率数码像机这种静态图像系统所接受。 ( 2 ) 双线性插值算法 双线性捅值算法【2 4 】使用邻近像素中相同颜色成分做线性平均汁算来补偿每个像 索丢火的颜色。如图1 1 中，第3 行筇3 列的像素( 3 ，3 ) 仅自蓝色成分。因此丢失 的绿色部分可通过求其上、下、左、右像素的绿色成分的平均值得到。同样，丢失的 红色可通过对相邻四个对角上的像素的红色成分求平均值。这种算法可以被视频所接 受，因为人类的眼睛不容易在动态的两帧视频中查觉到模糊。 ( 3 ) 中值插值算法 中值插值算, 法t 2 j 分配丢失的颜色是用相邻像素的相同颜色成分的，中间值，补插。， 当缺少某种颜色分量的像素邻域中有4 个同色分量时，去除最大值和最小值，用两 个中间值的平均作为该分量。 还有其他较复杂的算法不适合f p g a 实现。经过比较分析，最终选择双线性插值 穸 算法进行实现。 1 3v g a 显示器的工作原理 在本课题中，最终的输出通过v g a 接口传送到c r t 显示器上。 1 3 1c r t 显示器的工作原理 c r t 显示器所用的显示器件是阴极射线管。c r t 显示器主要由电子枪、视频放 大电路系统、扫描系统、荧光屏等几部分组成。人们之所以能在c r t 荧光屏上看见 所显示的字符或图形，是因为阴极射线管的电子枪所发射的电子流经过聚焦后形成电 子束，轰击荧光屏，使屏幕上涂的荧光粉发出可见光。要在屏幕上指定的位置进行显 3 太原理i + 人学硕士研究生学付论文 示，需要通过扫描偏转系统产生两个互相垂直的电磁场，控制电子束在水平方向和垂 直方向偏转，从而将电子束引向屏幕的相应位置。 c r t 显示器可以采用多种扫描方式，主要包括光栅扫描和随机扫描1 5 1 。在随机扫 描方式中，电子束没有固定的扫描路径，只在显示字符或图形的地方扫描。因此，扫 描控制信号随显示内容的不同而有所不同，这就使扫描电路比较复杂。光栅扫描有固 定的格式，不管屏幕上需要显示或不需要显示的地方，都按统一路径全屏幕扫描。因 ， 此扫描控制信号不随显示画面变化，使得扫描电路比较简单。并被广泛用于字符显示 ； 和图形显示器中。 光栅扫描的原理：电子束从荧光屏的左上角开始，沿着稍稍倾斜的水平方向匀速 地向右扫描，到达屏幕的右下端后，往回扫描到左端下一行位置，又从左向右匀速地 扫描，这样一行行地扫描，直到屏幕最后一行的右下端，然后垂直回归，返回屏幕左 上角，重复前面的过程。经过电子束如此反复地从左到右、自上而下的扫描，便在荧 光屏上形成了一条条垂直分布的水平线，这些扫描线称为光栅，代表了电子束在屏幕 上的运动轨迹。水平回扫和垂直回扫时，荧光屏上不出现亮线，c r t 处于“消隐”状态。 这样，就可以实现把图像显示到荧光屏上。 c r t 显示器信号由图像信号、消隐信号、同步控制信号组成。图像信号就是显 示的内容，图像信号脉冲对应屏幕上的像素。消隐信号就是图像信号的低电平，对应 荧光屏上的暗电平，荧光屏不发光。行同步信号就是扫描一行结束时，发出一个同步 脉冲。帧同步信号就是扫描一帧结束时，发出一个同步脉冲。 。 1 3 2x g a 显示标准 x g a ( e x t e n d e dg r a p h i c sa r r a y ) 是i b m 在1 9 9 0 年推出的一个显示标准。x g a 的分辨率是1 0 2 4 7 6 8 ，其点像素时钟和行频随着帧频变动，在帧频6 0 h z 下，也既 是刷新频率为6 0 h z ，行频是4 8 3 6 k h z 。图1 2 是显示时序示意图，图左边是行时 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 序，右边足帧时宁。x g a 6 0 h z 的通用显吖j 参数见表1 1 。 b a c kp o r c hbf r o n tp o r c hdb a c kp o r c hb - ：蛊-，：烹 data-一data一 h；yncvsync - 9 1 卜s 、n ca卜钆n ca 图i - 2 显示时序示意图 f i g u r e l 一2d i s p l a yt i m es e q u e n c es k e t c hm a p 表1 - 1x g a 6 0 h z 的通用显示参数 t a b l e i ic u r r e n c yd i s p l a yp a r a m e t e ro f x g a 6 0 h z f r o n tp o r c hd h - - - - - - - - - - - 一 行时序参数名时间参数单位帧时_ l 于爹数名 时间参数单位 f r o n tp o r c hd0 4 l a s f r o n tp o r c hd3 行 s y n c a 2 1 s y n c a 6 行 b a c k p o r c hb 2 5u s b a c k p o r c h b 2 9 行 d i s p l a yi n t e r v a lc 1 5 8 d i s p l a yi n t e r v a lc 7 6 8 行 1 4f p g a 设计流程与开发环境 1 4 1f p g a 简介 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 器件是x i l i n x 公司1 9 8 5 年首家推出的， 它是一种新型的高密度p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，采用s r a m 工艺制作。 基于s r a m 的f p g a 器件工作前，需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存 储在片外的e e p r o m 或者计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件 的逻辑功能，即所谓现场可编程，详见参考文献【6 ，7 ，8 ，9 】。f p g a 出现后，受到电子 设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。x i l i n x 、a l t e r a 和a c t e l 等公司都提供高性能 的f p g a 芯片。 本课题中，选用x i l i n x 公司的s p a r t a n i i e 系列f p g a l l 0 1 ，型号是 5 太原理工大学硕十研究生学付论文 x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 6 c 。s p a r t a n i i e 系列f p g a 采用了v i r t e x e 系列器件的结构，内 核电压为1 8 v ，系统性能可达2 0 0 m h z 。基于矢量的内部互连、分段和线结构、嵌 入式的块存储器模块及高性能的时钟和逻辑资源，构成了高性能的系统级可编程逻辑 器件。它主要由c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、i o b ( i n p u v o u t p u tb l o c k ) 、b l o c k r a m 、d l l ( d e l a y l o c k e dl o o p l ) 四大部分组成，如图1 3 所示。其中，c l b 是逻 辑器件的核心部分，用于实现f p g a 的逻辑功能；i o b 用于提供封装管脚与内部逻辑 之| 日j 的接口，提供适应多种接口标准的能力；b l o c kr a m 用于实现f p g a 内部数据 的随机存取；d l l 用于f p g a 内部和外部的时钟控制和管理。 o l l 口 口 芝 口 口 口 y 口 】 o口 o 忙 口 口 r _ 1 图1 - 3s p a r t a n - i i e 系列f p g a 结构图【1 0 】 f i g u r e l 3s p a r t a n - i i es e r i e s f p g a b l o c kd i a g r a m 【1 0 l s p a r t a n i ie 系列f p g a 采用o 1 8 p m 工艺制造，该系列器件提供从5 万到6 0 万 系统门共七种器件。x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 - 6 - c 有3 0 万个系统门，1 5 3 6 个c l b ，1 6 4 k b i t 的b l o c k r a m ，1 4 6 个用户可配置的i o 口，4 个d l l 延迟锁相环。 6 太原理 大学硕十研究生学位论文 1 42f p g a 设计流程 f p g a 设计可以分为设计输入、功能仿真、设计综合、设计实现、时序仿真、下 载配冒六个步骤1 。 设计输入 h d l ( h a r d w a r e d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 和原理图足常用的两种设计输入方式f 1 2 1 。 h d l 设计输入方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式。h d l 语言描述在状 态机、控制逻辑、总线功能方面较强，其描述的电路能在特定综合器作用下以具体硬 件单元较好地实现；而原理图输入在顶层设计、数据通路逻辑，手工最优化电路等方 面具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点。常用方式是以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特色。在进行设计时，设计者应当严格遵循自 顶向下( t o p - d o w n ) 和自底向上的模块化设计方法。 白顶向下是指设计小组在设计之初对系统进行充分的分析，明确技术条件指标， 并将这些指标提炼为算法，转化为结构描述，然后将系统划分为容易实现的子系统， 划分之后再进行时序调度和资源分配，不断深入，直至最终解决问题。 自底向上则是指设计小组在系统划分的基础上按模块进行设计。每个小组成员独 立的完成各自的模块设计，进而构成整个f p g a 。小组成员中可能各自习惯的h d l 语言不同，但对整体而言并无影响，模块在调用时只需要将被调用模块视作黑箱，无 需关心其具体设计。 功能仿真 仿真是指使用设计软件包对完成的设计进行测试，模拟实际物理环境下的工作情 况。功能仿真也称为前仿真，是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能 是否满足原设计的要求，仿真过程未加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性。 设计综合 综合，就是针对给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，如速度、功耗、 7 太原理- 【大学硕十研究生学侍论文 成本及电路类型等，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的最优或者 接近最优的电路设计方案。设计综合包括分析、综合和优化三个步骤。以h d l 描述 为例，分析是采用标准的h d l 语法规则对h d l 源文件进行分析并纠正语法错误；综 合是以选定的f p g a 结构和器件为目标，对h d l 和f p g a 网表文件进行逻辑综合； 优化则是根据用户的设计约束对速度和面积进行逻辑优化，产生一个优化的f p g a 网 表文件，以供f p g a 布局和布线工具使用。 设计实现 实现是利用f p g a 厂商的实现工具，把综合后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) 。通常可分为如下五个步骤。 ( 1 ) 转换( t r a n s l a t e ) ：将多个设计文件进行转换并合并到一个设计库文件中。 ( 2 ) 映射( m a p ) ：将网表中逻辑门映射成物理元素，即把逻辑设计分割到构 成可编程逻辑阵列内的可配置逻辑块、输入输出块及其它资源中的过程。 ( 3 ) 布局与布线( p l a c ea n dr o u t e ) ：布局是指从映射取出定义的逻辑和输入输 出块，并把它们分配到f p g a 内部的物理位置，通常基于某种先进的算法来完成；布 线是指利用自动布线软件，使用布线资源选择路径试着完成所有的逻辑连接。可以使 用约束条件操作布线软件，完成设计规定的性能要求。在布局布线过程中，可同时提 取时序信息形成报告。 ( 4 ) 时序提取( t i m e s i m ) ：产生一反标文件，供给后续的时序仿真使用。 ( 5 ) 配置( c o n f i g u r e ) ：产生f p g a 配置时需要的位流文件。 时序仿真 时序仿真也称为后仿真，是在布局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时 序参数，并在此基础上进行的仿真，它是接近真实器件运行的仿真。 下载配置 下载配置是将设计实现生成的位流下载到f p g a 芯片中，也叫芯片配置。因f p g a 8 ； 女 | 、 孽 l | 太原理r 大学硕士研究生学位论文 大多支持1 e e e 的j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 标准，所以使用芯片l 的j t a g 口 足常用下载方式。将位流文件下载剑f p g a 中进行的物理测试即为电路验证。 1 4 3 开发环境与仿真工具 本课题选用的f p g a 开发环境为i s e ( i n t e g r a t e d s o f t w a r e e n v i r o m e m ) 6 1 i ， 仿真工具为m x e ( m o d e l s i mx i l i n xe d i t i o n ) i i5 7 c 。i s e 是x i l i n x 公司的f p g a 开 发工具，它的版本不断更新，现在已经到i s e8 1 i ，最新的版本功能更强大。i s e 6 1 i 中不提供仿真工具，采用m e n t o rg r a p h i c 公司的m o d e l s i m 仿真工具。每个版本的i s e 对应着一个版本的m x e 。i s e 6 1 i 对应的为m x e i i5 7 c ，见参考文献 1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 。 i s e 6 1 i 的功能非常强大，并且提供了非常直观友好的用户界面。进入i s e 后， 首先打开工程导航器( p r o j e c t n a v i g a t o r ) 界面，在此界面中可以访问各种设计输入、 综合及实现工具。工程导航器主要由四个窗口组成，如图1 - 4 所示，左上角是s o u r c e s i n p r o j e c t 窗口，列出了工程中所有的文件；其下是p r o c e s s e s f o r s o u r c e 窗口，显示相 应的运行过程；最下面是t r a n s c r i p t 窗口，列出了运行、查询、报错及报警信息；右 边是多文件窗口，显示文本文件的内容以及h d l 测试激励波形。 m e n t o rg r a p h i c 公司的m o d e l s i m 是业界较好的仿真工具，其仿真功能强大，图 形化界面友好，且具有结构、信号、波形、进程、数据流等窗口。在仿真过程中可以 执行性能分析与代码覆盖分析，使设计者可以方便的找到设计瓶颈。m x e i l 5 7 c 可 以直接被i s e 6 1 i 调用，进行b e h a v i o r a lm o d e l 、p o s t t r a n s l a t ev h d lm o d e l 、p o s t - m a p v h d lm o d e l 和p o s t - p l a c e & r o u t ev h d lm o d e l 的仿真。 1 5v h d l 硬件描述语言 v h d l l l 7 1 8 19 2 0 0 1 j 的英文全名是v e r y h i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r e 9 掌 ， 一 f 7 t ? 太原理r 大学硕十研究生学位论文 d e s c r i p t i o n l a n g u a g e ，诞生于1 9 8 2 年。1 9 8 7 年底，v h d l 被i e e e ( i n s t i t u t e o f e l e c t r i c a l a n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。自i e e e 公布了 v h d l 的标准版本i e e e 一1 0 7 6 ( 简称8 7 版) 之后，各e d a 公司相继推出了自己的 v h d l 设计环境，或者宣布自己的设计工具可以和v h d l 接口。此后v h d l 在电子 设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1 9 9 3 年， i e e e 对v h d l 进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展v h d l 的内容， 公布了新版本的v h d l 标准，即i e e e 1 1 6 4 ( 简称9 3 版) 。现在，v h d l 作为i e e e 的工业标准硬件描述语占，得到众多e d a 公司的支持，在电子工程领域，已成为事 实上的通用硬件描述语言。 = 一= 。= 。：生堍 s o 吖c e si nh o j e c t ： l l k f y 舰 2鸺z 髓es i d _ i j ) g i c - 1 1 6 4 l l ： 一 ，盘# 吱洲l - 铀啦 一 0u 硅髓s t d _ l o g i c 虹m l l ， 积汹7 嚣r b “蝴群dt v c n k 诚矗) 4 * i 煳s 劲瑚雠阚潮舭。 ” ，黛v g a t b w 小黑罗+ m 纛 5 o 1 t h 硼z s 硼， t i 。二? _ 弋“。 7 犯u s l s r 澍v c o m p o n q n t $ 1 1 ： 8 0 讳e n t t 姆粥 i t k 啪撕一i 扫瓣b l 岫1 1 0 p o r t ( 1 e l k ：i n ，t d j o l c 砖砖 2 r s t ：i n # t d _ 一l o g 。x c o d k 凸 ：l h t d _ 王o g l c ； l p r o c e s s e $ f o rs o r e , ”v | l f b t h l 1 4 r e s e t t g t，t d _ l o g l c ； ；矽强“c o ”n t $ 5d i n ：i n $ t d j o g * ev e c t o r ，e - c l k：，n s t d _ l 。私c ： 等qs y = , t h e s t t * 一搬 一 1 7 k #：l ns t d o # lc 。 rqt t q ，l m e t t t # m 尊，t a：i nt t a j 0 0 e ： 弓 6 a 样n 轴。科- 黼1 “# f i l ev 0h：tl t d o g t c ： 2 0 7：tt t 4 _ 土o # l ： y | “。一广 。； 整墼黧竺l 。塑竺 r r 函q 堑坐疋噩互亟= 匿面函五五r 一 图1 - 4i s e 工程导航器界面 f i g u r e l - 4i s ep r o j e c tn a v i g a t o ri n t e r f a c e 1 0 ； 一* “一9 2 p 霹 6 太原理t 大学硕十研究生学付论文 1 6 论文完成工作 在高分辨率c f a 图像实时重构及其v g a 显示控制器的设计中，本论文主要做了 以f jf ： ( 1 ) f p g a 丌发平台的硬件实现 选用x i l i n x 公司的x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 6 c 作为核心器件，采用c m o s 图像传感 器模组o v 9 6 5 0 作为c f a 图像输入源，双s d r a m 作为帧缓存，搭建f p g a 的硬件 开发平台。 ( 2 ) 用v h d l 语言实现实时双线性插值算法 分析研究c f a 图像插值算法，实现了基于f p g a 的实时双线性插值算法，能够” 对每像素8 b i t 、分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 的c f a 贝尔模板图像输入数据完成实时重构，输 出每像素1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) 、分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 的图像数据。 - 一 ( 3 ) 基于f p g a 实现高分辨率双缓存v g a 显示控制器 用v h d l 语言构建双缓存v g a 显示控制器，将每像素1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) 、分辨 率为1 0 2 4 x 7 6 8 、帧频低于2 0 h z 的图像提升到x g a 6 0 h z 格式。 太原理t 人学硕士研究生学侍论文 第二章f p g a 开发平台的硬件实现 2 1f p g a 开发平台的硬件设计方案 在本课题中，f p g a 选用x i l i n x 公司的x c 2 s 3 0 0 e p q 2 0 8 6 c ，f p g a 配置芯片 选用x i l i n x 公司的x c f 0 2 s v 0 2 0 c t 2 2 1 ，图像传感器选用o m n i v i s i o n 公司的c m o s 图像传感器模组o v 9 6 5 0 ，帧缓存采用双缓存构架，见参考文献 2 3 ，2 4 ，由两块h y n i x 公司的s d r a m 构成，型号是h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h c s t - h 【2 5 】，视频d a 选用a n a l o g 公司 的a d v 7 1 2 5 26 1 ，单片机选用p h i l i p 公司的l p c 9 3 5 1 2 7 1 ，时钟芯片选用c y p r e s s 公司的 c y 2 2 3 9 3 1 2 舯，以这些芯片为主要器件，搭建f p g a 丌发平台。 开发平台的工作流程为：上电后，x c f 0 2 s 对f p g a x c 2 s 3 0 0 e 配置，同时，l p c 9 3 5 单片机对o v 9 6 5 0 和c y 2 2 3 9 3 初始化；上述操作完成后，显示系统开始运行，此时 的f p g a 相当于一个专用的具有c f a 图像实时重构功能的显示控制芯片。o v 9 6 5 0 输出8 b i t 像素、分辨率为1 0 2 4 x 7 6 8 、帧频为7 5 h z 的c f a 贝尔模板图像数据到f p g a ， 这些数据在f p g a 内部经过实时重构处理后，转移到一块s d r a m 中；同时，f p g a 接收另一块s d r a m 的数据，并将接收到的数据按时序要求传到a d v 7 1 2 5 ，格式是 x g a 6 0 h z ，每像素为1 6 b i t ( r g b 5 6 5 ) ；当写入s d r a m 数据达到帧尾时，对两块 s d r a m 的操作互换，如此往复。数据在a d v 7 1 2 5 中经过数模转换，生成模拟信号， 经过l t l 2 6 0 t 2 9 1 放大后，通过v g a 显示接口到达显示器显示。 在确定开发平台的工作流程之后，对丌发平台进行硬件模块划分，分成f p g a 、 单片机、时钟、输入通道、帧缓存、输出通道、电源7 个模块。图2 1 为此丌发平台 的原理框图，电源模块未在图中列出。 1 2 太原理t 大学硕+ 研究生学位论文 图2 1f p g a 开发平台 f i g u r e 2 - 1f p g ad e v e l o p m e n tp l a t f o r m 图2 一l 中的每个虚线框代表一个模块，虚线框内的实线框是各模块内部的主要器 件，斜体字是各模块的名称。其中，f p g a 模块中的阴影部分代表f p g a ，f p g a 内 1 3 太原理t 人学硕士研究生学位论文 部的c f a 插值模块和显示控制模块是本课题所完成的逻辑设计；时钟模块为o v 9 6 5 0 提供工作时钟，为f p g a 提供输入主时钟：输入通道模块为f p g a 模块提供数掘源、 控制信息和f p g a 的输入写时钟；单片机模块通过i 2 c 总线对c y 2 2 3 9 3 和o v 9 6 5 0 初始化，并且支持计算机通过串口对单片机进行操作；帧缓存模块为显示控制器完成 频率提升提供存储空问；输出通道模块接收f p g a 输出的数字图像数据和行、帧同步 信号，输出模拟信号到显示器；电源模块为整个开发平台提供5 路稳定的直流电源， 分别是5 v 、3 3 v 、2 5 v 、1 8 v 、5 v 。 2 2 f p g a 模块 在本课题中，f p g a 模块是整个开发平台的核心。设计此模块时，将f p g a 芯片 的所有可配置管脚都引出来，这是为调试方便而设计的；丌发平台上每一个芯片的电 源引脚和地之间接一个o 1 1 t f 的去耦电容，这是为滤除因电路板的走线电感产生的电 源开关噪声尖峰；f p g a 的配置方式设计成支持f l a s hi s pp r o m 配置和j t a g 配置， 下文中将详细介绍两种配置方式。图2 - 2 是此模块的电路图。 2 2 1j t a g 配置 在f p g a 上实现设计，需把实现生成的位流b “文件下载到f p g a 。通过f p g a 的m 0 、m i 、m 2 三个管脚的不同组合来实现不同的配置方式选择【1 0 】，如表2 1 所示。 本课题在调试时采用边界扫描模式中的预配置拉高，通过j t a g 接口配置 f p g a 。预配置拉高是指，在没有对f p g a 配置之i ； ，f p g a 的可编程i o 脚是高电 平。如表2 1 所示，f p g a 的m o 、m i 、m 2 管脚应按表中所列设置成“1 0 0 ”。 f p g a 开发平台上设计了两种并口下载电缆的j t a g 连接器接口，一种是1 6 的并 口下载电缆接口，一种是2 x 7 的x i l i n x 并口i v 下载电缆接口。图2 3 是1 x 6 的并口下载 1 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 电缆接口j f p g a i j 脚l 连的小意图。 图2 - 2f p g a 模块电路图 f i g u r e 2 2f p g am o d u l ec i r c u i td i a g r a m 表2 1f p g a 配置模式表 t a b l e 2 1f p g ac o n f i g u r a t i o nm o d et a b l e 配置模式预配置拉高 m 0m 1m 2 否o o0 主串模式 是0 ol 否 l0l 边界扫描模式 是 100 1 5 太原理工人学硕士研究生学 上论文 2 2 2f l a s hi s pp r o m 配置 j t a g 接【i 33 v v c cl g n d2 t c k3肇 t d o4 t i ) i5 t m s 6 图2 3j t a g 连接示意图 f i g u r e 2 - 3j t a gl i n ks k e t c hm a p 将位流下载到f p g a 完成验证并转换成m c s 文件存放在p r o m 上，需要注意的 是，在生成位流的选项中把j t a g 时钟换成c c l k 。不同型号的f p g a 有相应的p r o m 参数要求。本课题选用的是x c f 0 2 s v 0 2 0 c ，存储容量是2 m b i t 。图2 - 4 是p r o m 配置f p g a 的示意图。在完成对p r o m 的编程下载之后，需要将f p g a 的m 0 、m i 、 m 2 管脚设置成“0 0 1 ”实现表2 - 1 中的主串模式，使系统重新上电后，p r o m 能够自动 进行f p g a 配置。 2 3 单片机模块 单片机模块电路如图2 5 所示。此模块完成对o v 9 6 5 0 和c y 2 2 3 9 3 的初始化， 其调试分两个阶段进行。第1 个阶段