基于FPGA機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的設(shè)計

摘要 給出了某機載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案，以XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，實現(xiàn)了對DVI及PAL等多種格式視頻信號的解碼、實時處理以及輸出。系統(tǒng)電路設(shè)計簡潔，具有較強的靈活性和擴展性。文中介紹了系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)，論證了視頻編解碼模塊和視頻緩存模塊的硬件設(shè)計方案。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠流暢地對1 600×1 200分辨率，60幀／s刷新率，24位真彩色的高清視頻進行處理，對1幀高清視頻的處理時間最長不超過3 ms，具有較高的實時性能。
關(guān)鍵詞 實時視頻圖形處理；嵌入式硬件設(shè)計；FPGA

隨著科技的高速發(fā)展，飛機對機載電子系統(tǒng)提出了越來越高的要求，飛機性能的改善在很大程度上依賴于機載電子系統(tǒng)性能的提升。在飛行器機載電子系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)是飛機與飛行員進行人機交互的橋梁，它將各種飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實時讀取這些信息，從而做出判斷。
文中設(shè)計了某機載視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路部分，視頻圖形處理系統(tǒng)是機載顯示系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于在機載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA為核心處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實現(xiàn)了對高清視頻的縮放、格式轉(zhuǎn)換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實時性。

1 系統(tǒng)概況
1．1 系統(tǒng)需求
機載視頻圖形處理系統(tǒng)的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點陣式字符信號，進行視頻格式的轉(zhuǎn)換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號。
系統(tǒng)接收PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)制式的視頻信號和．PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express，擴展外設(shè)部件互連標準)視頻信號，對視頻進行縮放、格式轉(zhuǎn)換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。
1．2 總體方案設(shè)計
結(jié)合系統(tǒng)需求，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，利用其強大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應(yīng)的外部電路，構(gòu)建出一個靈活、簡潔、可靠的機載視頻圖形處理系統(tǒng)的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX707T中內(nèi)嵌的Power PC 440硬核處理器，在該處理器上移植美國風河公司的Vxworks操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)和PCI-E等接口，并在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)相應(yīng)的圖形操作及視頻處理API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)，用戶的應(yīng)用程序通過調(diào)用API函數(shù)來構(gòu)建最終的視頻輸出。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計
2．1 硬件整體架構(gòu)
根據(jù)設(shè)計要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的。處理器內(nèi)置主頻550 MHz的PowerPC440內(nèi)核、PCI-E端點和以太網(wǎng)等模塊。系統(tǒng)硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。