基于單片SRAM和FPGA的紅外圖像顯示的設計及實現

隨著紅外探測技術的發(fā)展及其在軍事、工業(yè)等領域的廣泛使用，紅外圖像處理算法獲得了廣泛研究。在實際嵌入式紅外圖像處理系統中，為了方便硬件調試和觀察圖像處理的效果，需要在系統中加入圖像顯示模塊。通常視頻數據流需要處理的數據量大，實時性要求高，所以需要高速大容量的存儲器作為圖像數據的緩存。用于圖像數據緩存的存儲器有3種：①同步動態(tài)隨機存取存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)，其容量大、速度快、體積小、價格低，但SDRAM的控制邏輯比較復雜，對時序要求也十分嚴格，需要設計專門的SDRAM控制器以完成與SDRAM芯片的接口；②雙口RAM，它可以同時對數據進行讀寫，時序簡單，操作非常方便，但是容量相對較小，而且價格高；③靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM(Static RAM)，它不僅容量大、速度快、體積小、價格低，而且時序控制簡單，但是數據不能同時讀寫，工程中多采用2片SRAM做乒乓操作來簡化讀寫控制。針對實際工程中的體積小、成本低、開發(fā)周期短等要求，本文提出一種基于單片SRAM和FPGA的圖像處理及顯示方案，并在實際工程中得到了應用。

本文的初始設計是面向幀頻為50幀/s、16 bit灰度、圖像為320×256像素的紅外圖像輸出顯示，但其設計方案可以應用于不同幀頻、灰度級及圖像大小的圖像顯示。

1 系統硬件結構和工作原理

系統硬件結構圖如圖1所示。本系統中，高速串行LVDS視頻信號經Camera Link接收芯片DS90CR285接收轉化為并行TTL電平后送給FPGA，同時，其他系統的高速串行LVDS格式數據也可以直接送至FPGA。這些視頻數據經FPGA進行直方圖統計，并存儲在SRAM中。然后，FPGA在存儲間隙讀出SRAM內的有效像素數據，并采用直方圖統計的參數對圖像灰度拉伸，然后送至視頻轉換芯片ADV7123進行D/A轉換顯示。


2 各功能模塊設計

2.1 Camera Link接口

本方案選用DS90CR285將Camera Link格式的4對串行LVDS圖像信號轉換成28 bit并行TTL/CMOS的數據。根據Camera Link基本協議，28 bit數據信號中包括3個數據端口：A口(8 bit)、B口(8 bit)、C口(8 bit)，和4個視頻控制信號FVAL(幀有效)、DVAL(數據有效)、LVAL(行有效)、SPARE(空，暫時未用)。經過Camera Link芯片轉換后的時鐘信號是整個相機的同步驅動信號，所有的數據和視頻控制信號都和該時鐘信號同步。數據轉換后送入FPGA的時序如圖2。


2.2 FPGA核心功能模塊實現

本設計中視頻數據的處理都在FPGA內實現，其內部功能框圖見圖3。

本文主要討論在FPGA內，利用視頻數據的行場掃描間隙對單片SRAM進行讀寫操作從而完成模擬圖像的顯示功能。直方圖統計功能在另文中描述。

本系統中，視頻信號時鐘為20 MHz，PAL制式信號數據時鐘采用13.5 MHz。為了讓SRAM讀寫時間更加充裕，使用了兩個FIFO模塊作為數據緩沖：FIFO_IN、FIFO_OUT。FIFO_IN用來做SRAM的輸入緩沖器，FIFO_OUT用來做SRAM的輸出緩沖器。FIFO可以通過IP核來實現，存儲寬度為16 bit，存儲深度設置為1.5倍行像素，本系統為1.5×320＝480[1-2]。

2.2.1 FIFO_IN模塊

為保證數據讀寫效率，此模塊的讀寫方式需進行合理規(guī)劃，具體為每次往FIFO中寫一行數據，寫完后立刻從FIFO讀一行數據并寫入SRAM。像素時鐘為FIFO的寫時鐘，行有效信號作為FIFO的寫使能，FIFO讀時鐘為100 MHz，也是SRAM的讀寫時鐘，通過判斷行下降沿來生成一個320的計數器，并在計數器有效期間將FIFO讀使能置為高。FVAL的上升沿作為FIFO的復位信號。此FIFO的讀寫時序圖見圖4。


2.2.2 FIFO_OUT模塊

此模塊主要是緩沖灰度拉伸后的視頻數據用于輸出顯示。本系統要求輸出標準的PAL制式的模擬視頻，PAL制式視頻場頻為50 Hz，幀頻為25 Hz。本方案選用專用的圖像DA芯片ADV7123， 該芯片是一款高速的RGB D/A轉換芯片，內部集成有3路10位精度的D/A轉換器，分別用于RGB數字信號的D/A轉換，數據吞吐率可達到330 MS/s，適合高分辨彩色視頻生成。ADV7123提供有3路數字輸入接口(RE9：0]、G[9：0]、B[9：0])以及CRT消隱和同步控制信號(BLANK、SYNC)。標準PAL制式的行場消隱信號和行場同步信號都是標準信號，在FPGA內很容易實現，本文不再論述。實際應用中只需要在需要顯示圖像的正確行場位置，將圖像灰度數據送入G[9：0]通道，即可在lOG端口得到復合視頻信號。同時這些正確行場位置標志信號作為FIFO的輸出使能，輸出時鐘為13.5 MHz，輸入時鐘為100 MHz，輸入使能為灰度拉伸模塊的輸出數據有效信號，輸入數據為灰度拉伸模塊的輸出數據。FVAL的上升沿作為FIFO的復位信號。

2.2.3 SRAM讀寫控制模塊

SRAM作為視頻數據的緩沖區(qū)，根據上述時序其容量最好能大于2幀數據，同時為了便于以后擴展，本方案中選用SRAM為CY7C1472BV33，容量為4 M×18 bit。由于SRAM屬于單向存儲器，利用單片SRAM作存儲的難點在于如何將讀寫控制分開。此控制包含2部分：讀寫使能和讀寫地址變換。下面分別從讀和寫來說明這2部分控制的實現。

FIFO_IN的讀使能作為SRAM的寫使能，寫地址在寫使能有效期間從SRAM的零地址依次遞增，即地址范圍為0～81 919(320×256-1)。但由于本系統中視頻信號20 ms一幀，PAL制式視頻顯示一幀需要奇場20 ms、偶場20 ms，共40 ms，所以在偶場顯示時還是在讀SRAM中0～81 919部分的數據，此時視頻信號必須寫入SRAM的另外一部分空間，這就要求在奇場和偶場時寫地址要進行切換；或者采用在奇場時數據寫入SRAM，偶場時不寫入，這樣剛好做到顯示完一幀圖像，下一幀圖像數據就可以覆蓋上一幀圖像的數據，這樣寫地址就一直是從0～81 919，不需要切換。本方案采用后者，其寫使能及寫地址的FPGA主要代碼如下：

//SRAM寫使能
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | (sram_write_counter==319))
ui_sram_write = 0；
else if(LVAL_fallage)
ui_sram_write = 1；//SRAM寫地址切換
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | Hsync_odd_riseage)
ui_sram_write_add = 0；//起始地址
else if (ui_sram_write)
ui_sram_write_add = ui_sram_write_add + 1；

SRAM的寫使能設計要避免與SRAM的讀使能沖突。本方案在FIFO_OUT模塊上設計了一個可編程空標志位program_empty，當fifo數據不足160個時，program_empty置高，PAL制式視頻的行掃描周期為64μs，也就是FIFO_OUT每64 μs被讀一次(一次讀出320個數)，這樣只要在64 μs時間內能夠寫入320個數就可以保證下次行掃描能夠從FIFO_OUT取出數據。由于本系統中SRAM的寫使能周期為16.5 μs，因此本方案是將SRAM讀狀態(tài)分2種情況，在FVAL信號有效期間，采用program_empty置高和SRAM的寫使能下降沿的“與”操作作為SRAM讀觸發(fā)信號；在FVAL信號無效期間，SRAM無寫控制，program_empty信號的上升沿將作為SRAM的讀觸發(fā)信號。然后根據讀觸發(fā)信號生成一個320的計數器，并在計數器有效期間將SRAM的讀使能置為高。這樣就能保證SRAM的讀寫不沖突，且數據也不會漏寫，控制時序見圖5。

PAL制式視頻顯示分為奇場和偶場，因此在奇場時，SRAM的讀地址應該滿足：第n行地址范圍為320×(n－1)～319+320×(n－1)(n＝1，2……128)；偶場時，RAM的讀地址應該滿足：第n行地址范圍320×n～319+320×n(n＝1，2……128)，其讀使能及讀地址的FPGA主要代碼如下：
//////// sram的讀標志位有2種狀態(tài):(1)奇場數據有效時////用寫sram的下降沿‘與’fifo半行標志位。(2)奇場數據無效時用 fifo半行標志位產生上升沿
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n)
ui_sram_read_flag = 0；
else begin
if ((FVAL_d | ui_sram_write_5d) Hsync_odd )
ui_sram_read_flag = ui_sram_write_fallage
fifo_sram_adv7123_prom_empty_d；
else
ui_sram_read_flag=fifo_sram_adv7123_prom_empty_riseage；
end
//// SRAM讀地址切換
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | Hsync_odd_riseage)
ui_sram_read_add = 0；//奇場起始地址
else if (Hsync_odd_fallage)
ui_sram_read_add = 320；//偶場起始地址
else if (ui_sram_read_fallage)
ui_sram_read_add = ui_sram_read_add+320；
else if (ui_sram_read)
ui_sram_read_add = ui_sram_read_add+1；
最后通過下面的賦值給出了SRAM芯片的讀寫、片選及地址信號：
assign SRAM_read_write_en=～(ui_sram_write Hsync_odd)；
//SRAM讀寫使能
assign SRAM_CE=～(ui_sram_read | ui_sram_write)；
//SSRAM片選
assign SRAM_ADD=(ui_sram_write)?ui_sram_write_add:
ui_sram_read_add；//SSRAM地址

2.2.4 灰度拉伸

將SRAM的讀使能和讀數據送入灰度拉伸模塊作為數據使能和輸入數據。本方案中,圖像灰度線性拉伸算法表達式為：

式(1)中：Y是拉伸后輸出圖像灰度值；X是SRAM中讀出的數據，為原始圖像16 bit二進制數灰度值；Xmin是輸入圖像數據直方圖統計最小灰度值；Xmax是輸入圖像數據直方圖統計最大灰度值。為保證精度，實際應用中將上述公式進行簡單變換，可以記為：

Q值在上幀結束前直方圖統計模塊已經得到，這樣拉伸運算只需1次減法和乘法運算，得到積左移14 bit后，截取低10 bit就得到拉伸后的灰度值。需要注意的是，截取前要判定乘法是否溢出，如果溢出，結果置為最大灰度值210。本方案中主要通過調用乘法器IP核來完成乘法運算，不同硬件的乘法器延遲時間不同，所以必須要將輸入數據使能信號作相應延遲后，成為輸出使能與乘法器輸出數據同步[3]。經過灰度拉伸后的圖像數據送入FIFO_OUT模塊用于圖像顯示，其中，灰度拉伸模塊的輸出使能及輸出數據作為FIFO_OUT模塊的輸入使能和輸入數據。

該圖像處理方案以FPGA 作為核心控制芯片，采用單片SRAM實現了圖像預處理、數據緩存、圖像存儲及顯示的功能。隨著FPGA 性能的不斷提高及其靈活的可編程性，設計者可以進一步在FPGA內部實現各種其他的圖像處理算法。這樣，直接采用FPGA和單片SRAM的方案不但減小了PCB 尺寸，降低了元件數量及PCB布線的難度，也降低了元件相互連線帶來的信號失真，從而增加了可靠性和穩(wěn)定性。本方案已成功應用在本單位的圖像采集和處理產品中。