（信号与信息处理专业论文）视频监控主控模块设计.pdf

摘要 随着数字压缩技术和通信技术的发展，数字视频监控技术得到越来越广泛的 应用，同时由于数字压缩技术较之模拟视频技术有诸多优点，使得传统的视频监 控模式逐渐被淘汰。基于i n t e r n e t 的数字网络视频监控系统逐渐成为视频监控 技术的主流。随着无线局域网的普及，使得基于无线网络的视频监控得到独特的 应用。可以在有线网络无法到达的地方，如环境监测等地点使用无线网络视频监 控系统，它具有站点灵活，铺设简单等优点，逐渐在视频监控市场上占据优势。 本文围绕无线视频监控系统中的前端压缩主控模块，基于f p g a 设计一套相 应的解决方案，主要实现对视频图像压缩芯片的有效控制，并将压缩m p e g - 4 格 式的数据流传送出去。其中，视频压缩模块以w i s 公司的专用视频压缩芯片 g 0 7 0 0 7 s b 为核心，能实现婶e g l 、m p e g 一2 、船e g - 4 或h 2 6 3 等多种格式视频压 缩，并通过h p i 接口向外输出压缩数据流；系统控制芯片采用a l t e r a 公司的可 编程逻辑门阵列f p g a ，能够实现对压缩编码芯片的控制和视频数据流传输功能。 配合以相对应的无线网络传输模块，即可实现完整的无线网络摄像机系统。 本文的工作主要包括硬件设计和软件设计。系统的硬件设计包括f p g a 模块 的p c b 版图设计等，重点是实现f p g a 与压缩编码芯片g 0 7 0 0 7 s b 的对接。软件方 面重点是f p g a 内部模块的设计，实现g 0 7 0 0 7 s b 芯片的启动，配置和数据流传输， 整体系统通过硬件设计、电路板制作、软件仿真和硬件测试，验证该方案能够实 现既定的设计目标和系统要求。 关键词：视频监控无线网络视频压缩芯片软件仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lc o m p r e s s i o na n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e a p p l i c a t i o no fd i g i t a lv i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g l yc o m m o n a n dt h e d 珥t a lc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e so v e ra n a l o gv i d e ot e c h n o l o g y t h i sm a k e st h ea n a l o gs y s t e mg oo u to f u s eg r a d u a l l y w 曲d i g i t a ls u r v e i l l a n c es y s t e m b a s e do nt h ei n t e r n e ti sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a mg r a d u a l l y w i t ht h ep o p u l a r i z a t i o n o fw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k , t h ew i r e l e s sn e t w o r kv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a si t s u n i q u ef e a t u r e i tc a l lb eu s e da tt h ep l a c ew h e r et h en e t w o r kc a b l ec o u l dn o tr e a c h , s u c ha se n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g i th a ss u c ha d v a n t a g e sa sf l e x i b l es i t e ，s i m p l e e s t a b l i s h m e n t ，a n dt h u sv i d e om o n i t o r i n gg r a d u a l l yd o m i n a t e st h em a r k e t t h i sp a p e rp r e s e n t saf o r w a r dc o n t r o lm o d u l eb a s e do nf p g a ，w h i c hi sa na s p e c t o ft h ew i r e l e s sv i d e oc o m p r e s s i o ns y s t e m t h em a i nt a s ki st oc o n t r o lt h ee n c o d i n g c h i pe f f e c t i v e l y t h ew i s v i d e oc o m p r e s s i o nc h i pg 0 7 0 0 7 s bi sa d o p t e di nt h ed e s i g n t or e a l i z et h eh a r dc o m p r e s s i o no fv i d e op i c t u r e n eg 0 7 0 0 7 s bc a ns u p p o r tt h e f o r m a to fm p e g - 1 ，m e p g 一2 ，m e p g - 4a n dh 2 6 3 t h ee n c o d e dd a t as t r e a mi s t r a n s f e r r e dt h r o u g ht h ei n t e r f a c eo fh p i t h cc o n t r o lc h i pa d o p t st h ef 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 ) o f a l t e r ac o m p a n yt oc o n t r o lg 0 7 0 0 7 s ba n dt r a n s m i tt h e e n c o d e dd a t a i nt h i sp a p e r , t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g ni sm a i n l yd i s c u s s e d t h ea i m o ft h eh a r d w a r es e c t i o ni st od e s i g nt h ep c bf o rt h ef p g aa n dt h em e t h o d st oc o n n e c t t h ef p g aw i t ht h eh p io fg 0 7 0 0 7 s b t h ef p g ai sp r o g r a m m e di nt h es o f t w a r e s e c t i o nw i t hv e r i l o gh d l ，ak i n do fp r o g r a m i n gl a n g u a g e t h e nt h ef p g ac a n a c c o m p l i s ht h ec o n f i g u r a t i o na n di n i t i a l i z a t i o no fg 0 7 0 0 7 s b a f t e rt h eh a r d w a r e t e s t i n ga n dt h es o f t w a r es i m u l a t i o n , t h es y s t e ma c h i e v e st h ed e s i g no b j e c t i v e sa n d s y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：v i d e o m o n i t o r i n g ，w i r e l e s sn e t w o r k ，v i d e oc o m p r e s s i o nc h i p ， s o f t w a r es i m u l a t i o n 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者签名：张膨殇 签字日期：细7 年月i , f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 朝迎 签字日期：娜7 年厂月偿日签字日期：加口7 ，年厂月t i t 第一章绪论 1 1 视频监控技术 第一章绪论 随着计算机技术和网络技术的发展，视频监控技术也得到了迅速发展和广泛 应用，在机场、地铁、停车场等重要场所，利用视频监控技术能自动监视危险隋 况，同时也减少雇佣大批管理人员所需要的人力、物力和财力的投入。另外，视 频监控技术在对道路上的车辆、公共场所行人的拥挤状态分析及重要场所的流量 统计等方面也有着广泛的应用。 视频监控系统是多媒体技术、计算机网络、工业控制和人工智能等技术综合 运用的产物，它正向着音视频的数字化、系统的网络化和管理的智能化方向不断 发展。总结起来，在过去2 0 年视频监控大致经历了三个发展历程【l 】： 第一阶段、模拟视频监控系统。 第二阶段、数字视频监控系统。 第三阶段、基于网络的分布式数字视频监控系统。 1 1 1 模拟视频监控系统 从电视机、摄像机问世起，模拟视频监控系统就随之出现了。第一代模拟视 频监控系统是以模拟信号的图像处理和传输为主的。这种视频监控系统可以广泛 应用于保安，生产管理等场合，模拟视频监控系统是以模拟信号、图像的处理和 传输为基础的，模拟摄像机产生的模拟信号通过同轴电缆传输到监控室，监控人 员通过监视器来判断监视场景的情况。 模拟视频监控系统的特点如下： ( 1 ) 由于模拟视频监控系统是基于模拟方式传输，传输介质采用同轴电缆， 所以传输距离受限制，只能应用于小范围的监控。 ( 2 ) 模拟信号占用带宽大。 ( 3 ) 存储在录像带上的信息不能长时间保存，不能对大量的视频资料进行 方便的信息检索和查询。 1 1 2 数字视频监控系统 数字技术的蓬勃发展和广泛应用使人类社会迈入了数字时代，数字技术产品 已走进人们的日常生活中。数字技术就是用数字编码来描述和表达图像、声音等 第一章绪论 各种媒体信息。其信息处理的流程是：模拟信息一数字化一压缩编码一存储或传 输一解码再现【2 1 。 视频信息是一种比较特殊的媒体，数据量极大、信息丰富、并以与时间密切 相关的流的形式存在。因此，视频数据的表达、组织、存储和传输都有很大难度。 解决的基础在于对视频数据进行压缩。数据压缩的主要目标是较大的压缩比、较 快的压缩、解压缩速度以及尽可能好的图像还原质量。最基本的是要有比较合理 高效的压缩算法和一个快速有效的实现方法。目前己有的图像和视频压缩算法有 很多种，在实际应用中，常把几种方法混合使用，得到更高的压缩比。实现方法 也有很多，比如用p c 实现的软件系统，或者专用硬件编码芯片实现的嵌入式系 统，一般来说软件系统比较灵活，硬件系统比较高效。 ( 1 ) 用p c 实现的视频监控系统 基于p c 的视频监控系统将采集的模拟音视频信号通过电缆传输到终端的主 机上，利用专用的压缩卡将模拟信号转换为数字信号并对数字信号进行压缩编 码。 ( 2 ) 专用硬件编码芯片的系统 基于p c 的视频监控系统的结构比较复杂，体积大，功耗高。基于硬件芯片 级的嵌入式系统具有体积小，功耗低的优点。这种系统的工作原理是：采用嵌入 式技术，对摄像头采集的信号进行数字化后，采用硬件芯片进行视频压缩编码， 然后通过处理器把视频流发送出去。 数字视频监控系统的主要特点如下： ( 1 ) 数字信号抗干扰能力强，并且可以对视频信息加密处理。 ( 2 ) 数字化的视频数据占用空间少，存储在计算机硬盘上的数据可以被方 便的进行信息检索和查询。 1 1 3 基于网络的分布式数字视频监控系统 由于无线和有线多媒体数字通信技术的发展，特别是随着网络带宽的增加， 使得网络视频监控系统得以发展。基于网络的视频监控系统将视频信号进行数字 化、压缩编码、信息处理后将重要信息通过有线或者无线网络传输到监控中心【3 1 。 网络数字视频监控系统的特点： ( 1 ) 采用高效的数字压缩编码技术，能有效节省网络的带宽资源和硬盘的 存储空间。 ( 2 ) 监控距离长，可以任意将信息送到世界各地有网络覆盖的地方。 ( 3 ) 数字信号抗干扰能力强，系统可以小型化，数字视频信号传输可以达 到稳定可靠的要求。 第一章绪论 另外，基于无线网络的视频监控系统还有自己突出的优点： ( 1 ) 采用无线网络方式的时候可以实现在原来无法部署有线网络的地方实 现无线监控。 ( 2 ) 出于城市美观的考虑，采用无线方式显得尤为重要。 ( 3 ) 无线网络可以节约大量的有线网络布线成本。 ( 4 ) 通过无线网络和有线网络相结合的方式，可以配置成灵活的监控网。 1 2 本文的主要工作及意义 互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的发展，使得基于网络的视频 监控系统成为研究热点，抓紧研发具有自主知识产权的产品已经成为迫切的要 求。目前的网络是以有线网络为主，无线局域网为附的形式，无线局域网作为有 线网络有力的补充和完善，具有很多自身优越的条件，无线网络视频监控系统也 逐渐成为市场需求和研究的热点。无线网络可以有多种灵活的配置方式，可以完 全用无线网络搭建整个视频监控系统。也可以用无线方式可以组建一个局域网 络，配合以有线网络的方式搭建的视频监控系统。 基于前文的分析，数字视频监控系统的实时性，高压缩率，以及数字信号抗 干扰能力强等诸多特点，使得这项技术逐渐成为现代化管理，监测，控制的重要 技术手段。随着无线网络技术的迅猛发展，利用无线网络实现监控也已经成为一 种迫切需求。 因为基于硬件芯片级的系统具有体积小，功耗低的优点，而且基于硬件的编 码芯片具有很高的编码效率，所以采用了w i s 公司专用编码芯片g 0 7 0 0 7 s b 作为 系统核心的压缩编码模块。 现场可编程逻辑门阵列f p g a 具有配置灵活，开发方便等诸多优点，采用了 a l t e r a 公司的a c e x i k 可编程芯片作为系统的微处理核心，它负责完成系统的启 动，编码芯片的复位，初始化，配置参数，数据流传输等功能。 系统拟采用g 0 7 0 0 7 s b + f p g a 的配置模式，直接用f p g a 芯片对接g 0 7 0 0 7 s b 的职工接口，便于实现系统小型化的要求，本文的工作是控制工作，对h p i 进行 控制来实现系统的启动，参数配置等工作，通过验证，这样的系统可以实现既定 的目标。同时，配合以其他课题组相对应的无线网络传输模块，即可实现完整的 无线网络摄像机系统。 总结起来，本论文作了以下研究工作： 1 通过学习阅读g 0 7 0 0 7 s b 技术手册和数据手册，对此编码芯片有了整体性 的了解。 第一章绪论 2 通过了解多家公司、多种类型的f p g a 芯片，选择了a l t e r a 公司的a c e x i k 芯片作为系统的控制芯片，完成f p g a 芯片最小系统的p c b 版图的设计和元器件 焊接工作。 3 通过研究g 0 7 0 0 7 s b 电路板和g 0 7 0 0 7 s b 的t t p i 接口，对h p i 控制器进行研 究后，完成了f p g a 芯片电路板系统和g 0 7 0 0 7 s b 电路板系统的对接工作。 4 编码实现对h p i 进行控制来实现系统的启动，配置等要求，并完成了模块 的功能仿真，时序调试等工作。 本文具体章节安排如下： 第一章论述了视频监控系统发展的三个阶段、视频监控的研究现状及意义， 明确了本文的研究方向、研究重点和研究意义。 第二章描述了视频监控系统整体的架构。对专用编码芯片g 0 7 0 0 7 s b 做了内 部功能的描述。对f p g a 芯片选型和开发工具做了介绍。 第三章详细描述了基于g 0 7 0 0 7 s b 的h p i 接口。对基于h p i 接口设计的f p g a 电路板的原理图设计和硬件设计做了详细说明。 第四章说明了f p g a 内部模块设计思想，对内部设计的每一个模块进行了描 述和调试，列出了每一个模块仿真的结果。 4 第二章视频监控核心模块系统设计 2 1 系统结构 第二章视频监控核心模块系统设计 整体无线网络视频监控系统包括前端视频压缩编码模块，基于f p g a 的主控 模块，以及后端无线传输模块三个组成部分，如图2 1 所示。其中，视频压缩编 码模块采用以w i s 公司的g 0 7 0 0 7 s b 芯片为核心，实现视频数据采集、视频压 缩编码；基于f p g a 的主控模块则主要完成对编码芯片的有效控制，以及与其后 无线网络传输模块的衔接；最后的无线网络模块则完成数据的协议封装和无线发 送。本论文的主要工作是前端的编码控制模块，通过h p i 接口对g o t 0 0 7 s b 进行 控制来实现系统的启动，配置等工作，后端的无线网络传输控制模块的工作由其 他课题组进行研究工作。 考虑到系统的可移植性，采用了两块电路板对接的结构，这样的结构方便项 目开发，提高了系统的灵活性。一块电路板是f p g a 芯片系统电路板，另一块电 路板是专用视频压缩芯片g 0 7 0 0 7 s b 的电路板。 2 2 视频压缩芯片模块 图2 1 无线网络摄像机系统框图 专用视频压缩芯片g 0 7 0 0 7 s b 是w i s 公司开发的一款多格式的视频压缩编 码芯片。它运用多种算法将未处理数字视频信号缓冲，压缩成视频数据流。既可 5 第二章视频监控核心模块系统设计 以通过h p i ( h o s tp a r a l l e li n t e r f a c e ) 接口输出数据，也可以通过u s b ( u n i v e r s a l s e r i a lb u s ) 接口输出。 2 2 1 视频压缩芯片电路板的结构 图2 2g 0 7 0 0 7 s b 电路板结构 电源模块：g 0 7 0 0 7 s b 芯片的内核需要1 8 v 电源，其余器件需要3 3 v 电源。 两个电源模块分别是：l t l 0 8 4 3 3 l t 和l t1 0 8 4 1 8 v 。 a d 转换芯片s a a 7 11 3 h ：s a a 7 11 3 h 是p h i l i p s 公司的一款9 位视频输入 处理芯片，它能完成视频采集的输入处理，进行视频a d 转换，。 s d r a m ：g 0 7 0 0 7 s b 需要外接一块s d r a m ，主要作用是作为外部数据缓 存，工作电压为3 3 v 。 晶振：g 0 7 0 0 7 s b 采用4 8 m h z 的晶体振荡器，经过内部倍频可以达到9 6 m h z 的工作频率。 h p i 接口插针：系统设计的时候留出了h p i 的接口插针，可以方便的和其他 电路板实现对接，方便了后续的开发工作。 6 第二章视频监控核心模块系统设计 2 2 2g 0 7 0 0 7 s b 芯片简介 g 0 7 0 0 7 s b 可实现多种格式、多种标准的音视频压缩及报警、动态检测、o s d ( o ns c r e e nd i s p l a y ) 、内嵌w e b 服务器等功能。通过适当的配置，视频流的输 出格式可以是m p e g - 1 、m p e g - 2 、m p e g - 4 或h 2 6 3 格式。g 0 7 0 0 7 s b 可以无缝地与 c m o s c c d 图像感光芯片相连，视频输入信号可以是l o b i t 的r g b ，也可以是 c c i r 一6 0 1 和c c i r 一6 5 6y ：u ：v = 4 - 2 ：2 的信号。音频接口支持i i s 。同时，还提 供了e e p r o m 、s d r a m 、u s b 、1 2 c 控制通道以及h p i ( h o s tp a r a ll e li n t e r f a c e ) 等丰富的外围接口。既可以通过h p i 接口输出数据，也可以通过u s b 接口输出。 g 0 7 0 0 7 s b 有能力以f u l l - m o t i o nf r a m e 速率传输f u l l d 1 解析率的数据流。封装 采用2 0 8 脚p q f p ( 2 8 r a mx2 8 r a m ) ，或1 9 6 脚l b g a ( 1 5 s i nx1 5 r a m ) 。g 0 7 0 0 7 s b 的主 要特点如下【4 j ： ( 1 ) 支持1 0 位r g bb a y e r 传感器接口输入以及c c l r - 6 0 1 和c c i r - 6 5 6y ：u ： v = 4 ：2 ：2 逐行或隔行扫描输入； ( 2 ) 最大输入规格为：n t s c 制式支持7 2 0 4 8 0 3 0 帧秒；p a l 制式支持7 2 0x 5 7 6 2 5 帧每秒；分辨率为1 6 1 6 7 2 0 5 7 6 ( 1 6 像素递增) ； ( 3 ) 支持低通滤波和边缘增强滤波、自适应r g bb a y e r 重建、色彩转换和改正、 垂直和水平抽头滤波； ( 4 ) 对b g b 通道用户可编程单独g a m m a 校正；能独立进行增益和补偿控制； ( 5 ) 能进行图像裁剪以及对比度、亮度、色度控制； ( 6 ) 具有可编程的i 、i p 、i b p 、i b b p 帧组结构体系； ( 7 ) 高性能m p e g - 4 码率( c b r v b r ) 控制，可控范围为l k b i t s - - 4 0 m b i t s ； ( 8 ) 1 m b i t s 带宽可以达到f u l ld 1 的d v d 品质；4 0 k b i t s 带宽可以获得高质 量的q c i f 视频； ( 9 ) 可动态调整码率和帧频，适合各种不同带宽； ( 1 0 ) 支持i i s 音频输入接口和高级a c 9 7 从接口，支持可变采样率。 2 3g 0 7 0 0 7 s b 芯片内部结构和接口 2 3 1g 0 7 0 0 7 s b 的内部结构 g 0 7 0 0 t s b 的内部功能模块被分类为前端模块和后端模块。前端模块包括所有 提供数据处理和视频压缩的功能块，后端模块提供数据传输和控制信息以及与外 部设备的通信。前端模块包括视频输入处理、运动估计和补偿、d c t i d c t 变换、 第二章视频监控核心模块系统设计 量化和反量化、变长编码、肝e g x h 2 6 3 m j e p g 编码等模块。后端模块的主要功 能是：对并列的前端模块提供控制和计划安排；控制进出s d r a l i 以及前端模块之 间的数据流动；为u s b 、h p i 、外部s d i 洲和其他片外设备提供接口【5 】。 g 0 7 0 0 7 s b 的内部功能模块结构如图2 3 所示： s d r a mu s b中断s c i g p i o 控制器 音频 拄制器t控制器 r 0 畦s 弛m 拄制器 + jlj 0 亭 输入 上 1 d 融接u 叫暇i 控制器卜 _ 叫v d t c p 通用i o 拄制器 l 一一 + + 1r c 府n t r o lb u s li 上善t 眦棚s 概颧输入 一 j 传黪器i 翼频输入接口 视频压缩弓| 擎 联偎吠 1 4 1 像输入 一 l 接u 厂 处理模块 l l 图2 3g 0 7 0 0 7 s b 的内部结构 主要功能模块的介绍如下： 1 视频输入接口v i p ( v i d e oi n p u tp r o c e s s o r ) 负责g 0 7 0 0 7 s b 与外部视频源的连接，同时还可以提供以下功能：视频格式转 换，r g bb a y e r 至u r g b 的转换，色彩空间转换，解交织，帧内子采样，特殊子采样 以及视频帧缓冲。v i p 还包含有一个图像输入处理器l i p ( i m a g ei n p u tp r o c e s s o r ) 子块，该块的作用是可以为g 0 7 0 0 7 s b 提供片内的图像处理能力，比如颜色校正， g a m m a 校正和颜色转换( r g b 到y u v ) 。 2 视频压缩引擎v c e ( v i d e oc o m p r e s s i o ne n g i n e ) 包括如下几部分： 变长码v l c ( v a r i a b l el e n g t hc o d e ) 编码器。该编码器为每个宏块生成一 个3 2 - b i t 的经过缓冲的数据。v l c 模块也为g 0 7 0 0 7 s b 提供格式化功能。通过对v l c 内部寄存器编程可以使v l c 模块的功能适应与很多的压缩标准。 量化器反量化器( q u a n t i z e r d e q u a n t i z e r ) 模块在宏块上实现“之字 ( z i g z a g ) ”量化反量化功能。根据不同的压缩标准，可以对量化和反量化算法 进行编程。 离散余弦变换d c t i d c t ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 模块对视频宏块数 据进行离散余弦变换和逆离散余弦变换。内部的d c t i d c t 精度是1 7 b i t s ，d c t 输 出为8 或1 2 b i t s 。这样一来，d c t i d c t 对于理想浮点模型产生的差错是非常少的， 8 第二章视频监控核心模块系统设计 将d c t 失谐降到最小。 运动估值及补偿m e c ( m o t i o ne s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ) s i 肋引擎。 m e c 模块组成了g 0 7 0 0 7 s b 的最大模块。m e c 处理器阵列使用1 0 0 个处理器单元进行 运动估值。指令的产生由一个x 指令控制器和y 指令控制器产生。这种特殊的架构 使得芯片的运行性能和灵活性得以最大提高。视频数据流缓冲为m e c 阵列、d r a m 和d c t i d c t 模型之间提供高速的数据传输。估值的结果由一个圆柱处理器( a c o l u m np r o c e s s o r ) 来处理。圆柱处理器对平均差分m a d ( m e a na b s o l u t e d i f f e r e n c e ) 中寻找最好的运动向量。 3 d m a 控制器 可编程d m a 控制器带有s d r a m 接口可以实现突发内存读写操作。该控制器可以 提供一个用户可以配置的起始地址，长度和模式，并支持3 2 个独立的配置和通道。 v i p 的数据由d m a 控制器输出到s d r a m 。数据流缓冲通过d m a 控制器从s d r a m 中 读取运动估值数据。从反离散余弦传输块中重建的宏块经过m e c 和d c t i d c t 块所 共享的s r a m 中通过，并将被编码。 4 中断控制器( i n t e r r u p tc o n t r o l l e r ) 中断控制器处理内部产生的中断，并将相应的i s r 起始向量地址送往片上的 x r i s cc p u 。 5 印i 控制器 主机并行接口h p i ( h o s tp a r a l l e li n t e r f a c e ) 是一个1 6 b i t 的i n t e l 类 型的g 0 7 0 0 7 s b 外部接口。它是g 0 7 0 0 7 s b 和外部主设备( 微控制器或p c i 桥) 的 一个桥路。 2 3 2g 0 7 0 0 7 s b 的外部接口 为了和外部其它器件交互操作，g 0 7 0 0 7 s b 提供了许多的接口，包含有以下的 外部接口：视频输入接口、s d r a m 接口、s c i 接口、e e p r o m 接口、u s b 接口、音频 输入接口、g p i o 接口、传感器控制接口和调试与测试接口。 1 视频输入接口 原始的视频数据由1 0 b i t 并行数据接口输入，由p c l k ( 象素时钟p i x e lc l o c k ) 提供时钟。p c l k 速率的最大值是2 7 m h z 。水平参考h r e f ( h o r i z o n t a lr e f e r e n c e ) 和垂直参考v r e f ( v e r t i c a lr e f e r e n c e ) 信号用来表示一行或一场有效信号的开 始。v a l i d 信号用来表示v r e f 和h r e f 有效时间内的有效数据。在交替输入模式下， f i d 信号用以表示场序列。 g 0 7 0 0 7 s b 支持的视频格式：8 1 0b i tc c i r - 6 0 1 兼容的，y ：u ：v = 4 ：2 ：2 交错的或累进的输入；8 1 0b i tc c i r - 6 5 6 兼容的，y ：u ：v = 4 ：2 ：2 交错的或累 9 第二章视频监控核心模块系统设计 进的输入：1 0b i t 的带有v s y n c h s y n cc m o s 传感器的r g bb a y e r 格式( 像素数据 解析度限定为8 b i t s ) 。输入帧尺寸：6 4 x 6 4 到7 2 0 x 4 8 0 ( 3 0 f p s ) 或7 2 0 5 7 6 ( 2 5 f p s ) 。输入帧速率：l o f p s 至u 3 0 f p s 。多数的c o m s 和c c d 传感器可以无缝的连 接到视频输入接口。用户自己配置的滤波器可以在数据压缩前对输入视频数据进 行处理。这些滤波器包括：子采样、子窗口、2 ：1 缩放以及中低通边带强化。 2 s d r a m 接口 g 0 7 0 0 7 s b 使用4 m b 或8 m b 工业标准的同步d r a m ( s d i ) 作为外部数据缓冲。 s d r a m 使用i m x 3 2 或者2 m x 3 2 的配置形式。s d 雌口被设计为1 0 0 - i z 工作频率， 需要6 或7 纳秒的存取时间。 g 0 7 0 0 7 s b 需要有一个外部主设备进行固件下载、压缩控制和压缩视频数据流 的输出。主设备可以是一个微控制器或p c i 桥来与p c i 局部总线相连接。h p i 用来 与外部主设备相连接。职i 是一个带有中断支持功能的8 或1 6 b i t 的i n t e l 类型的接 口。为了简化系统的集成度，设计了2 个专用的管脚来表示视频和音频缓冲状态。 3 s c l 接口 g 0 7 0 0 7 s b 支持1 2 c 、s p i 和a t m e l 3 线协议。这三个协议被合起来称为s c i 接口。 这些接口被用作图像传感器或用来与类似e e p r o m 之类的1 2 c s p i 兼容设备进行数 据传输。 4 e e p r o m 接口 g 0 7 0 0 7 s b 通过1 2 c s p i 控制器与外部e e p r o m 进行数据存取。e e p r o m 储存着u s b 配置信息和设备的启动设置。这个特性使得用户可以在芯片上储存自定义的设备 描述符i d 、接口和端点描述符。也使得自定义的内部寄存器设置、启动代码以及 甚至是自载入固件成为可能。 5 u s b 接口 通用串行总线u s b 是一个在个人电脑中广泛使用的外部接口。c , 0 7 0 0 7 s b 完全 支持全速的总线供电的u s b 设备，并提供u s b 电源管理。它提供一个s u s p e n d 管脚 使得在u s b 悬挂模式时关闭其他设备。i i p i 和u s b 接口的主要不同点在于，h p i 接口 提供调试功能而u s b 接口不提供该功能。由于u s b 和h p i 接口使用同一条数据通路， 所以在同一时刻只能使能一个接口。 u s b 描述符中的某些数据域可以通过与传感器控制接口s c i ( s e n s o rc o n t r o l i n t e r f a c e ) 连接的e e p r o m 来配置。在系统加电过程中，e e p r o m 中的数据被读入 g 0 7 0 0 7 s b ，在枚举开始之前替换掉默认的u s b 描述符。 6 音频输入接口 音频接口兼容a c 9 7 的i i s 总线，实现串行转并行的转换。经过转换的数据可 以由h p i 或u s b 总线输出。音频控制器还包含有一个时钟产生器以使用带有从模式 1 0 第二章视频监控核心模块系统设计 的音频a d 转换器。音频控制器中还集成有一个音频签名产生器以提供音视频同 步。由a d p c m 压缩引擎实现4 ：l 的音频压缩。 7 g p i o 接口 6 个通用i o ( g p i o ) 关键使得g 0 7 0 0 7 s b 可以与其他设备的集成简化。每个g p i o 管脚都可作为输入或输出来配置。2 级中断输入( 同时也作为u s b 遥控唤醒特性) 可以分配到6 个g p i o 中的任何一个。 8 传感器控制接 s c i ( s e n s o rc o n t r o li n t e r f a c e ) s c i 有2 个独立的串行接口。一个2 线的接口用来连接传感器和其他使用1 2 c 或s c c b 协议的设备。另一个3 线的接口与使用s p i 协议的传感器或使用a t m e l 3 线协 议的e e p r o m 设备一同工作。2 个接口都有硬件控制器。 2 4 可编程逻辑器件( p l d ) 的概况 2 4 1 可编程器件的发展 可编程逻辑器件p l d ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代发 展起来的一种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。 主要的p l d 产品主要有p r o m 、现场可编程逻辑阵f p l a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e l o g i ca r r a y ) 、可编程阵列逻辑p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 、通用阵列逻 辑g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 、可擦除的可编程逻辑器件e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。目前生产和使用的主要产品有：复杂可编程逻辑 器件c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，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 ) 等几种类型。c p l d 、f p g a 的集成度较 高，属于高密度p l d 。 2 4 2 数字系统设计方法的发展现状 传统的设计一般是采用搭积木式的方法进行，即由器件搭成电路板，由电路 板搭成数字系统。系统常用的“积木块 是固定功能的标准集成电路，如7 4 5 4 系列( t t l ) 、4 0 0 0 4 5 0 0 系列( c m o s ) 芯片和一些固定功能的大规模集成电路。 设计者根据需要选择合适的器件，由器件组成电路板，最后完成系统设计。传统 的数字系统设计只能对电路板进行设计，通过设计电路板来实现系统功能【6 】。 集成电路的发展大大促进了e i ) a 的发展，先进的e d a 已经从传统的“自下而 上 的设计方法改变为“自上而下的“并行工程 的设计方法。 第二章视频监控核心模块系统设计 并行工程是一种系统化的、集成化的、并行的产品及相关过程的开发模式( 相 关过程主要指制造和维护) 。这一模式使开发者从一开始就要考虑到产品生存周 期的质量、成本、开发时间及用户的需求等等诸多方面因素【7 】。 “自顶向下 的设计方法从系统级设计入手，在顶层进行功能方框图的划分 和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高层次的系统 行为进行描述。在功能一级进行验证，然后用逻辑综合优化工具生成具体的门级 逻辑电路的网表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。这种 设计方法有利于在早期发现产品结构设计中的错误，提高设计的一次成功率，在 e d a 技术中被广泛采用。 专用集成电路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 ) 是指应特 定用户要求和特定电子系统的需要而设汁、制造的集成电路。a s i c 的特点是面 向特定用户的需要，品种多、批量少，要求设计和生产周期短，它作为集成电路 技术与特定用户的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体 积更小、重量更轻、功能提高、保密性增强、成本降低等优点。 目前用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 来进行 a s i c 设计是最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程持性、 都支持边界扫描技术，两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。一 般来说，c p l d 分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至 2 0 - 3 0 多个组合逻辑输入。而f p g a 的一个查找表( l u t ) 只能处理4 输入的组合 逻辑，因此，c p l d 适合用于设计译码等复杂的组合逻辑。但f p g a 的制造工艺确 定了f p g a 芯片中包含的l u t 和触发器的数量非常多，c p l d 一般只能做到5 1 2 个 逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，f p g a 的平均逻辑单元成本 大大低于c p l d 。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序 逻辑，那么使用f p g a 就是一个很好选择。 另外，随着系统开发对e d a 技术的目标器件各种性能要求的提高，a s i c 和 f p g a 将更大程度的融合。这是因为虽然标准a s i c 芯片尺寸小、功能强大、耗电 省，但设计复杂，并且有批量生产要求。可编程逻辑器件开发费用低廉，能在现 场进行编程，但体积大、功能有限，而且功耗较大。因此，f p g a 和a s i c 正在走 到一起，相互融合，取长补短。由于一些a s i c 制造商提供了具有可编程逻辑的 标准单元，而有些公司采取两头并进的方法，从而使市场开始发生变化，在f p g a 和a s i a 之间正在诞生一种产品，以满足成本和上市速度的要求，如将可编程逻 辑器件嵌入标准单元。 f p g a 的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程i o 模块和可编程内 部连线。可编程逻辑模块功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置r a m 1 2 第二章视频监控核心模块系统设计 等复杂形式。配置数据放在片内的s r a m 或者熔丝图上，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 p r o m 或计算 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。 2 5f p g a 芯片的选型 a l t e r a 公司的f p g a c p l d 系列器件种类非常多，功能各有千秋嘲： 1 s t r a t i x 系列器件：s t r a t i x 系列器件是所有复杂系统设计的一个很好的 解决方案。最优的寻址方式可以实现高带宽的系统，s t r a t i x 器件具有强大的核 心性能、存储能力和市场优势。还提供了时钟管理和数字信号处理d s p 的专用功 能。同时也支持差分和单端点i o 标准。另外它还具有片内终止( o n - c h i p t e r m i n a t i o n ) 和远程系统升级( r e m o t es y s t e mu p g r a d e ) 的能力。 2 s t r a t i x i i 系列器件：a l t e r a 公司推出的s t r a t i x i i 器件，是工业界容量 最大而且速度最快的f p g a ，它具有新的创新性的逻辑结构特性，允许设计者通 过封装更多的功能到更少的区域，比第一代s t r a t i x 器件核心执行能力平均提高 5 0 。 3 c y c l o n e 系列器件：c y c l o n e 是一款低成本的f p g a ，它包