一种基于FPGA的红外视频采集系统设计

摘要：介绍了一种基于FPGA技术的红外视频采集系统组成架构，给出了各功能模块的实现方法，包括主要的HDL代码、SignaltapII波形以及QuartusII顶层原理，并制作电路板进行调试，最终的红外图像通过VGA实时显示。结果表明该系统能充分利用FPGA技术的优势，具有扩展性好、控制灵活、开发周期短等特点。
关键词：FPGA；红外视频；VGA显示

1 系统架构
    红外视频监测系统的FPGA部分由5个模块组成，分别是I2C配置模块、图像采集模块、YUV2RGB模块、SRAM控制模块、VGA控制模块。配置模块通过I2C总线来对ADV7181B芯片进行配置。配置成功后，ADV7181B将产生图像采集模块所需的行场同步信号，并将红外摄像头输入的复合视频信号转化为标准的NTSC／PAL制式，输入到图像采集模块；图像采集模块用来提取YUV(BT656)图像中的有效数据；YUV2RGB模块将YUV图像数据转化为RGB格式以供VGA显示；VGA控制模块用来产生D／A芯片(ADV7123)工作的同步信号、图像数据，以及控制图像数据从SRAM中读出。红外视频监测系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计
2．1 I2C配置模块
    ADV7181B是Analog公司的一款应用广泛的视频解码芯片。该芯片自动监测输入的复合视频信号，通过I2C总线配置接口，可选择图像输出方式(NTSC／PAL等)，本文以输出NTSC制式视频图像为例，给出了所需配置的寄存器地址和配置参数值，NTSC制式视频图像寄存器地址和配置参数值如表1所列。

    ADV7181B芯片作为I2C总线通信的从器件，其ALSB引脚电平的高低所对应的器件地址是不同的，从器件读写地址如表2所列，本系统将ALSB引脚接地，写地址设置为0x40，所有地址代码用十六进制表示。

2．2 图像采集模块
    NTSC默认输出的图像为奇偶场交替输出，数据信号和行场同步信号时序关系如图2所示。奇偶场分别有253有效行，本文获取其偶数场图像用于传输和显示。BT．656定义了一个并行的硬件接口，传输的视频图像格式为YCbCr 4：2：2(Y为亮度信号，Cb、Cr分别为蓝色信号分量和红色信弓分量)。一行图像数据的有效像素为720，一个像素占用两个字节，格式为CbYCrYCbYCrY。本文采用每两个像素即每输出CbYCrY获取一组CbYCr，这一组数据通过移位寄存器得到3路8位的并行数据送入YUV2RGB模块，此时有效像素被压缩成360个。720×525的图像数据通过本模块的采集，可传送的有效像素为360×253。

    一行图像数据的起始／结束(SAV／EAV)和所在数据帧的位置是根据BT656图像格式(即根据检测到的ADV7181B输出数据序列“FF，00，00．xy”)来判断的。奇数场的有效行起始时xy为0xC7，结束时xy为0xDA；偶数场的有效行起始时xy为0x80，结束时xy为0x9D。xy各位含义如表3所列。最高位bit7为同定数据1，F=0表示偶数场，F=1表示奇数场；V=0表示该行为有效视频数据，V=1表示该行无有效视频数据；H=0表示为SAV信号(行起始)，H=1表示为EAV信号(行结束)；低4位为保护信号。
    图3为SignaltapII观测到的图像数据采集时序。hactive_even高电平期间为有效图像数据采集阶段，yuvdin为从ADV7181B输出的8位并行图像数据．当“FF 0000 ε0”到来时，开始采集偶数场图像的一行有效像素，其中黑线分隔的reg1、reg2、reg3为提取的3路即将送入RGB转化模块的图像数据。
2．3 YUV2RGB转化模块
    VGA显示器所需的图像数据为RGB格式，所以需要对YCrCb进行转化，转化公式如下：
    R=1．1 64(Y-16)+1．596(Cr-128) (1)
    G=1．164(Y-16)-0．81 3(Cr-128)-0．392(Cb-128) (2)
    B=1．1 64(Y-16)+2．017(Cb-128) (3)
    浮点运算需要大量的FPGA资源，进而影响系统性能，本系统采用查找表来简少FPGA运算量，将上式中5个不同的系数分量分别编写查找表。为进一步简化运算将(1)式两边乘以2，以式(1)为例，查找表如下：
   
    设a=2×1．1 64Y．b=2×1．596Cr式(1)简化为：2R=a+b-446。若(a+b)>446，则R分量值为(a+b446)／2；若(a+b)<446，则R分量值为0。
    同理可算出G、B分量，即完成了YCrCb到RGB的转化。由于SRAM数据线为16位，各取3路8位RGB分量的R信号(5位)，G信号(6位)，B信号(5位)写入SRAM。当RGB_wrdata为非零图像数据时，将其写入SRAM即实现了分辨率由720×525向360×250的转化。
2．4 SRAM读写控制模块
    当写入360×250的视频流数据量所需的存储空间为100KB时，由于FPGA内部存储资源有限，本系统通过外部SRAM来存储图像数据。SRAM所使用的型号为IS61LV25616，存储空间为256K×16位，满足图像存储需求。SRAM芯片工作不需要刷新，读写时序也不复杂，当向SRAM写入数据时先建立地址和数据，然后使能写信号wr_n，在wr_n保持一定时间后将其复位，最后释放地址总线和数据总线；当从SRAM中读出数据时，置wr_n为高电平，同时使能SRAM读出信号，并建立地址。一帧图像的偶场信号写入SRAM的波形如图4所示。

2．5 VGA控制模块
    ADV7123是一个3路10位信号输入的高速D／A芯片，采样速度最高可达330MHz，可用于多种显示系统。本文采用标准的VGA显示模式640 ×480@60 Hz，VGA水平／垂直时序参数如表4、表5所列。

    VGA控制模块产生ADV7123的工作时序，当一帧图像的偶数场写入SRAM时，奇数场时间段则不再向SRAM中写数据，而是从SRAM中读出图像数据，这样即可实时传输图像。为了实现图像的完整性，640×480可显示区域为360×250，具体代码如下：
   
    在VGA的有效显示区域内，将SRAM读使能，地址自增，即可将图像信号从SRAM中读出。读出的16位数据中，高5位为R信号分量，中间6位为G信号分量，低5位为B信号分量；将这3个分量赋给各自颜色分量的最高位，低位补零即得到VGA工作的RGB信号输出。图5为奇数场SRAM读出地址时序。VGA控制模块从SRAM中将图像波形读出，rd_period为高电平时读出一帧图像的偶数场，sram_rd_addr范围为0～360×250。

3 硬件设计及实验结果
3．1 硬件设计
    FPGA芯片采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C35F484C6，它具有较高的性价比，内部有33 216个逻辑单元，322个外部引脚、4个PLL、66个M4K RAM块、8个I／O BANK。工作需要1．2 V电压和3．3 V的I／O电平。本系统采用的芯片封装为FBGA，PCB制板采用的是4层电路板。由于板子上使用了A／D、D／A数模混合信号的芯片，要使电路板达到好的性能，就需要严格的遵守PCB布板规则：
    ①模拟复合视频信号输入到ADV7181B的走线要尽可能短，数据线和时钟线也要尽可能短。
    ②在电源引脚附近添加去耦电容，滤波电容。
    ③对芯片的每个电源(AVDD、DVDD、DVDDIO、PVDD)分开供电。
    ④分隔数字部分和模拟部分，数字地和模拟地通过单点连接。
3．2 实验结果
    将设计调试好的PCB电路板，接上电源、NTSC制式红外摄像头和VGA显示器进行联调，红外图像实时显示良好，实验结果如图6所示。调试结果证明了该图像采集系统设计的正确性。

结语
    实验结果表明，该红外实时采集系统工作稳定。该系统基于FPGA技术，结构简单，可以灵活地根据需求配置系统，具有开发周期短、扩展性好、成本低的特点，有较高的应用价值。