基于FPGA的實時視頻圖像采集與顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實

SAA7121主要由數(shù)據(jù)管理模塊，總線接口模塊，編碼模塊，D／A模塊組成。MP0～MP7是MPEG端口，輸入CCIR．656的Cb—Y—Cr的編碼數(shù)據(jù)；RCV1為柵控制端，輸入或輸出各種類型的信號；LLC為線性鎖定時鐘，為芯片提供27 MHz的主頻；CVBS為模擬CVBS信號輸出，C為模擬色度信號輸出，Y為模擬亮度輸出。SAA7121通過設(shè)置內(nèi)部寄存器，對其進(jìn)行初始化。SAA7121的芯片結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
通過在FPGA開發(fā)平臺上，使用QuartusⅡ9．0對系統(tǒng)進(jìn)行硬件語言編程。本系統(tǒng)主要由SAA7113H解碼芯片初始化模塊、SAA7121編碼芯片初始化模塊、FPGA視頻圖像采集與顯示模塊組成。
2．1 SAA7113H初始化模塊
SAA7113H的初始化模塊主要分為I2C控制核模塊，I2C命令模塊，ROM模塊。I2C控制核心模塊完成數(shù)據(jù)的并／串轉(zhuǎn)換以及將命令轉(zhuǎn)換位為I2C總線的SCL／SDA信號線的啟動、停止、寫、應(yīng)答等具體操作的時序關(guān)系；I2C命令模塊則是通過狀態(tài)機(jī)(FSM)的方式進(jìn)行I2C接口間狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及從ROM模塊中將配置好的數(shù)據(jù)輸出給I2C控制核模塊，ROM模塊存儲的是配置好的SAA7113H的數(shù)據(jù)。當(dāng)啟動I2C開始配置時，從ROM中讀取配置的內(nèi)容送出即可。
2．2 SAA7121初始化模塊
SAA7121編碼芯片的初始化和SAA7113H有些類似，都是通過I2C總線來控制芯片內(nèi)部寄存器實現(xiàn)初始化的目的。SAA7113H解碼芯片中的I2C控制模塊分為核心模塊和命令模塊，而SAA7121編碼芯片則只包含一個I2C模塊。
在SAA7121的寄存器配置模塊中，首先，上電復(fù)位，確保SDA，SCL為高電平，隨后將SDA從高電平拉到低電平，發(fā)出I2C總線起始信號，開始I2C總線操作。接著向I2C總線寫芯片的從地址，SAA7121芯片地址也與輸入引腳SA電平及讀寫操作有關(guān)。SAA7121芯片的輸入引腳SA是接地的，因此芯片地址為SA低電平時的地址。在寫入芯片地址后，再讀應(yīng)答，并確認(rèn)有應(yīng)答時，再寫寄存器的子地址。同樣在確認(rèn)有應(yīng)答時，再寫入寄存器數(shù)據(jù)通過循環(huán)將要配置寄存器的所有數(shù)據(jù)依次寫入到I2C總線上。最后，在全部數(shù)據(jù)寫完后，發(fā)出I2C總線中止信號。
2．3 FPGA圖像采集與顯示模塊
系統(tǒng)中最核心的地方就是圖像的采集與顯示，包括FPGA采集與存儲模塊，F(xiàn)PGA顯示模塊兩塊內(nèi)容。視頻圖像采集模塊的主要作用是接收來自CCD攝像頭的模擬信號，經(jīng)視頻輸入處理芯片SAA7113H，輸出ITU656 4：2：2格式的數(shù)字圖像。完成視頻信號從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，最終提供后端可以處理的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，存儲到SDRAM中。

3 功能實現(xiàn)與測試
系統(tǒng)連接圖如圖4所示。通過對系統(tǒng)進(jìn)行編程，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計，按照FPGA的設(shè)計流程完整的測試了系統(tǒng)的可行性，包括：系統(tǒng)的輸入輸出環(huán)路測試(能否實時的顯示圖像)，系統(tǒng)的按鍵調(diào)控亮度測試(解碼芯片功能)。測試圖如圖5所示。

4 結(jié)語
結(jié)合國內(nèi)實時圖像采集處理系統(tǒng)的現(xiàn)狀，本設(shè)計在硬件上采用FPGA作為核心運算器來實現(xiàn)圖像的采集、存儲和顯示；在硬件實現(xiàn)上使用FPGA硬件描述語言Verilog對系統(tǒng)各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計。采用FPGA可編程邏輯設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)視頻圖像采集與顯示系統(tǒng)不僅擁有極大的靈活性，可編程性，而且也加快了圖像采集與顯示的速度。由于本文設(shè)計的系統(tǒng)中未涉及到復(fù)雜的算法，而是用專用的編碼芯片代替了，所以在本文中，圖像的算法未能加入到系統(tǒng)中。下一步的工作就是學(xué)習(xí)將高端FPGA芯片運用到圖像處理技術(shù)當(dāng)中去，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究更新的視頻圖像采集與顯示技術(shù)。