基于FPGA的视频采集与显示模块设计

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本文给出的视频采集和显示模块在设计时，选取分辨率为768×494像素的NTSC制式， 并选用输出像素为640×480的CCD摄像头； FPGA选取Altera CyclONeⅡ系列Ep2c35F672c36 (内含35000个逻辑单元)； 主动串行配置器件为Epcs16； 可配置VGA DAC ADV7123 ( 内含3 个10 位高速DAC)及VGA输出口， 同时支持NTSC和PAL制式的视频解码器ADV7181及RCA视频输入接口。
　　1 ADV7181的特性及其寄存器配置
　　ADV7181是一款集成的视频解码器， 可支持多种格式的模拟视频信号输入， 包括CVBS，S_VIDEO 和YPrPb 分量， 并可自动检测NTSC、PAL 和SECAM。ADV7181 可输出16 位或8 位与CCIR656标准兼容的YCrCb 4:2： 2视频数据， 包括VS、HS、Blank等重要信号。由于该器件功能强大， 因此， 要正确使用这款芯片， 就必须对其内部240个寄存器进行合理配置。本系统只需设计I2C_Controller模块和I2C_AV_config模块对其中的40个寄存器进行参数配置即可。
　　1.1 I2C_Controller模块设计
　　 I2C_Controller使用33个I2C时钟周期来完成1次24位数据， 其中第1个时钟周期用于初始化控制器， 第2"3个周期用于启动传输， 第4"30个周期用于传输数据(其中包括24为数据和3个ACK)，最后3 个周期用于停止传输。在程序当中，SD_counter用于对传输进行计数， 并控制数据的传输。
　　1.2? I2C_AV_config模块设计
　　该模块中的每个寄存器配置需要三步。一般用mSetup_ST表示当前进行到哪一步， mI2C_GO=1表示启动I2C传输， mI2C_END=1表示I2C传输结束， mI2C_ACK=0表示应答信号有效。图1所示是该寄存器的配置状态图。



图1 寄存器配置状态图
　　在图1中， 复位信号一旦有效， 即表明对寄存器的配置进入到第一步， 此时8位从设备地址、8位寄存器地址和8位数据进行连接， 以组成24位传输数据； 接着启动I2C 传输， 进入第二步( mSetup_ST =1) ， 此后一旦检测到传输结束(mI2C_END=1)， 便对应答信号mI2C_ACK进行判断， 如果应答有效， 则进入下一步mSetup_ST=2，否则返回到mSetup_ST=0， 重新传输数据。
　　2 图像采集和Video_to_VGA模块设计
　　由ADV7181输出的itu_r65*:2:2格式的视频数据流格式如图2所示。图中， EAV和SAV为两个基准信号， 要想获得有效视频数据， 就得首先检测到SAV。操作时， 首先要对FF0000进行检测， 然后再根据XY提取F、H来判断SAV基准信号。XY一般由8位数据组成， 图3所示是其位格式表示。



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图2 itu_r65*:2:2格式视频数据流



图3 XY各位表示
                          
                       
                          
                               
　　2.1 ITU_R656_DECODER模块设计
　　图3中， XY的第七位为场信号， F为0表示第一场， F为1表示第二场； XY的第六位为场消隐信号， V为0表示数据是有效信号， V为1表示数据处于场消隐阶段； XY的第五位为有效数据开始结束信号， H为0表示有效视频数据开始信号，H为1表示有效视频数据结束； 而P0、P1、P2、P3为保护比特。操作时首先要检测FF 00 00， 然后提取F、V、H等信号， 最后再根据这些信号信息对视频数据进行相应的处理。图4所示是本图像采集系统的总体框图。




图4 系统总体框图
　　Video_to_VGA 模块主要由ITU_R656_DECODER模块和YCbCr2RGB模块组成， 这里先对ITU_R656_DECODER模块进行设计。图5所示是ITU_R656_DECODER模块的设计原理框图。
　　设计时， 首先应构建串转并模块， 以便对有效信号中的串行YCbCr信号进行分离， 然后对亮度色差信号分别进行处理， 以同时产生field和13.5M的Ypix_clock信号； 接着对TD_HS进行倍频以产生HSX2， 再通过三个dui_port_c1024模块将4:2:2的视频信号转换为4:4:4的视频信号。其中，在dui_port_c1024模块中使用乒乓操作， 以实现对数据的连续处理， 读时钟为写时钟的2倍， 即写入一行数据， 读出后变为两行， 这样可实现奇行代替偶行， 从而实现去交织(由于人眼对奇行偶行数据分辨力较差， 故允许这种处理方式)，输出的Y， Cb， Cr用于后期所要使用的10位RGB信号， 而Ypix_clock、HSX2和VSX1则用于产生VGA的时序信号。
　　2.2 YCbCr2RGB模块设计
　　该模块实际上用于完成一个色度空间的转换功能， 它可将Y， Cb， Cr信号转换为所要使用的10位RGB信号。其转换关系如下：
　　R=1.164 (Y-16) +1.596 (Cr-128)
　　G =1.164 ( Y -16) -0.813 ( Cr -128) -0.392(Cb-128)
　　B=1.164 (Y-16) +2.017 (Cb-128)
　　这样， 就可用3个MAC_3模块分别完成对R、G、B信号的转换， 图6所示是其转换原理框图。



　图5 ITU_R656_DECODER模块原理框图
                          
                       
                          
                               



图6 YCbCr2RGB模块转换原理框图
　　3 参数设置
　　本系统采用640×480 像素显示， 刷新率为60Hz模式， 像素时钟为25MHz。在VGA水平时序中， 每行包括800像素点， 其中640为有效显示脉冲， 160为行消隐区； 而在VGA垂直时序中， 每场525行， 其中480有效， 45行为场消隐。其具体参数如下：






　　4 结束语
　　本文介绍的图像采集和显示模块设计简单，成本较低。由于其用高效硬件描述语言构成， 故其处理效率高， 具有很好的实用特性。