0 引言

    隨著視頻顯示技術(shù)的發(fā)展，視頻信號(hào)從之前的標(biāo)清發(fā)展到高清，再發(fā)展到全高清，其分辨越來(lái)越高，數(shù)據(jù)量也成倍增加，這就推進(jìn)了顯示接口技術(shù)的高速發(fā)展，顯示接口技術(shù)經(jīng)過(guò)了一個(gè)從模擬到數(shù)字、從并行到串行、低速到高速的發(fā)展過(guò)程^[1-3]。HDMI接口是最新的高清晰度多媒體接口，與DVI接口相比，其尺寸更小，帶寬更大，傳輸距離更遠(yuǎn)，支持的分辨率更高，不僅能夠傳輸視頻信號(hào)，還能傳輸音頻信號(hào)，且具備版權(quán)保護(hù)功能^[4]。HDMI接口已成為液晶顯示器、平板帶腦、筆記本電腦等設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，得到了廣泛應(yīng)用^[5-6]。本系統(tǒng)中不僅實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)HDMI接口電路及其控制，并且還提供全高清視頻數(shù)據(jù)源，選用500萬(wàn)像素級(jí)別CMOS攝像頭OV5640，輸出視頻信號(hào)分辨率可達(dá)2K級(jí)別，支持多種數(shù)據(jù)格式輸出。為了解決由于視頻數(shù)據(jù)緩存速率和容量不足導(dǎo)致的拖影問(wèn)題，該系統(tǒng)選用容量為4 Gbit的DDR3 SDRAM作為換緩存介質(zhì)，通過(guò)Xilinx公司的MIG IP和對(duì)其進(jìn)行控制，再結(jié)合乒乓操作，能有效解決高數(shù)大容量數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題，使顯示質(zhì)量更高。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全高清視頻信號(hào)的采集及高質(zhì)量顯示，其能應(yīng)用到多種領(lǐng)域，包括軍用監(jiān)控領(lǐng)域、多媒體領(lǐng)域、醫(yī)用領(lǐng)域等。

1 方案設(shè)計(jì)

    此視頻采集顯示系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括視頻采集模塊、FPGA主控模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和HDMI接口電路。視頻采集模塊提供全高清視頻數(shù)據(jù)源，在其開(kāi)始采集之前需要FPGA主控模塊通過(guò)SCCB（Serial Camera Control Bus）總線將攝像頭配置信息發(fā)送到攝像頭中的寄存器；FPGA主控模塊是此系統(tǒng)的控制核心，其控制著攝像頭、DDR3-SDRAM、HDMI接口芯片以及視頻數(shù)據(jù)流；數(shù)據(jù)緩存模塊以一塊4 Gbit容量的DDR3-SDRAM作為緩存介質(zhì)，能有效解決高速大容量數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題；HDMI接口電路主要包含一塊HDMI接口芯片，其作用是實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換；最后，串行視頻數(shù)據(jù)通過(guò)HDMI傳輸線傳輸?shù)街С諬DMI接口的顯示器上，就能實(shí)時(shí)顯示全高清視頻圖像。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 視頻采集模塊

    視頻采集模塊選用OmniVision公司OV5640攝像頭，其為500萬(wàn)像素級(jí)別CMOS圖像傳感器，支持分辨率可達(dá)2K級(jí)別，能輸出多種圖像格式數(shù)據(jù)，且支持多種自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。此CMOS圖像傳感器支持DVP和MIPI兩種數(shù)據(jù)接口，本系統(tǒng)中選擇DVP接口。在主控模塊獲取數(shù)據(jù)之前需要通過(guò)SCCB總線將傳感器寄存器信息配置給傳感器^[7-8]。本系統(tǒng)中CMOS圖像傳感器圖像數(shù)據(jù)輸出格式配置為RGB24，視頻分辨率配置為1 920×1 080(全高清)，視頻幀率配置為30 f/s，此模塊還包括數(shù)字和模擬供電電路。

2.2 FPGA主控模塊

    系統(tǒng)控制核心選用的芯片是Xilinx公司Spartan6系列芯片XC6SLX45，第六代Spartan系列產(chǎn)品Spartan6 FPGA基于公認(rèn)的低功耗45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術(shù)，提供了高級(jí)功耗管理技術(shù)、150 000個(gè)邏輯單元、硬核DRAM存儲(chǔ)器以及多種IP等，是Xlinx公司應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)非常成熟的一個(gè)FPGA系列^[9-11]。FPGA主控模塊主要完成攝像頭的配置及視頻數(shù)據(jù)獲取、DDR3-SDRAM數(shù)據(jù)的存取以及HDMI接口芯片的配置以及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送，其硬件電路還包括供電電路、復(fù)位電路、晶振電路、下載電路和配置SPI Flash電路。

2.3 數(shù)據(jù)緩存模塊

    為了解決高速大容量視頻數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題，此系統(tǒng)選用Micron公司4 Gbit容量DDR3-SDRAM存儲(chǔ)芯片MT41J256M16HA-125作為緩存介質(zhì)，其與FPAG的硬件連接示意圖如圖2所示。A0～A14為地址總線，B0～B3為Bank地址，F(xiàn)PGA通過(guò)控制地址總線和Bank地址就能控制數(shù)據(jù)在DDR3-SDRAM中的存儲(chǔ)位置；D0～D15為數(shù)據(jù)總線，與FPGA并行連接；CLK-N和CLK-P為差分時(shí)鐘輸入端口，本系統(tǒng)中設(shè)定時(shí)鐘頻率為312.5 MHz；FPGA通過(guò)列地址選擇信號(hào)(CAS)、行地址選擇信號(hào)(RAS)、寫(xiě)使能信號(hào)(WE)對(duì)DDR3-SDRAM進(jìn)行讀寫(xiě)控制，通過(guò)控制ODT使能片內(nèi)電阻優(yōu)化性能來(lái)防止數(shù)據(jù)線中斷反射^[12]；DQS為DDR3-SDRAM與控制器之間的同步信號(hào)，其為雙向信號(hào)，當(dāng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，其由控制器發(fā)出，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)時(shí)，其由存儲(chǔ)器發(fā)出；DM為數(shù)據(jù)屏蔽信號(hào)^[13]。由于Spartan6系列FPAG只有Bank1和Bank3有MCB硬核，在本系統(tǒng)中選擇FPGA中Bank3與DDR3-SDRAM連接，端口電壓標(biāo)準(zhǔn)為1.5 V，且在FPAG UCF中，需要設(shè)定IO標(biāo)準(zhǔn)為SSTL15_II。

2.4 HDMI接口模塊

    本系統(tǒng)中選用SiI9134作為HDMI輸出接口芯片，其和FPAG的硬件連接關(guān)系如圖3所示。在芯片工作之前，需要通過(guò)I2C(SCL、SDA)總線將寄存器信息配置到芯片里，配置過(guò)程中頻率為100 kHz，數(shù)據(jù)輸入格式配置為RGB24，視頻輸出分辨率配置為1 920×1 080；CLK為視頻數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘，此芯片1080p視頻格式的時(shí)鐘為148.5 MHz，DE為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，高電平有效；HS、VS分別為行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)；D[23:0]為RGB24數(shù)據(jù)輸入總線，從上到下依次為R、G、B分量數(shù)據(jù)總線，為了支持其他視頻數(shù)據(jù)格式，SiI9134的總線寬度為36 bit，此系統(tǒng)中只使用24 bit，其余的數(shù)據(jù)總線引腳接地；SiI9134支持多種數(shù)字音頻信號(hào)輸入接口，包括S/PDIF、I²S等，本系統(tǒng)中不使用音頻接口。RGB24格式視頻數(shù)據(jù)經(jīng)SiI9134編碼后，轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)后通過(guò)連接器和傳輸線將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示器，最終顯示出全高清視頻。

3 控制邏輯設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)中，包括OV5640配置及視頻數(shù)據(jù)獲取邏輯、DDR3-SDRAM數(shù)據(jù)存取控制邏輯、SiI9134配置及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送邏輯。系統(tǒng)通過(guò)DVP口接收RGB24格式的視頻數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)分區(qū)域存入DDR3-SDRAM中，再將視頻數(shù)據(jù)從中讀出發(fā)送給HDMI接口芯片供顯示屏顯示。系統(tǒng)工作流程如圖4所示，上電后系統(tǒng)先進(jìn)行復(fù)位操作，然后進(jìn)入初始化狀態(tài)，系統(tǒng)給OV5640和SiI9134發(fā)送配置信息，DDR3-SDRAM也開(kāi)始進(jìn)入初始化和校驗(yàn)過(guò)程。所有初始化工作完成后，系統(tǒng)判斷OV5640是否配置結(jié)束，如果配置結(jié)束，系統(tǒng)將獲取視頻數(shù)據(jù)，并將其存入DDR3-SDRAM中。當(dāng)緩存區(qū)有數(shù)據(jù)且SiI9134配置結(jié)束后，系統(tǒng)將緩存區(qū)的視頻數(shù)據(jù)讀出發(fā)送給SiI9134。

3.1 視頻采集控制部分

    OV5640對(duì)上電的時(shí)序有一定的要求，所以滿足此上電時(shí)序的模塊是必不可少的，完成初始化后，先確定OV5640的工作模式，通過(guò)SCCB總線就能完成，此系統(tǒng)中配置了303個(gè)寄存器；待OV5640配置完成和DDR3-SDRAM初始化和校準(zhǔn)完成后，就可獲取視頻數(shù)據(jù)；控制OV5640需要先提供一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘XVCLK，為192 MHz，然后識(shí)別像素輸出時(shí)鐘（PCLK）、場(chǎng)同步信號(hào)（VSYNC）、行同步信號(hào)（HREF）來(lái)獲取數(shù)據(jù)。場(chǎng)同步信號(hào)下降沿表示一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，行同步信號(hào)為高電平時(shí)為有效數(shù)據(jù)輸出，在場(chǎng)同步信號(hào)低電平之間，行同步信號(hào)會(huì)出現(xiàn)1 080次高電平，代表一幀數(shù)據(jù)有1 080行數(shù)據(jù)；在行同步信號(hào)處于高電平期間會(huì)持續(xù)1 920個(gè)像素輸出時(shí)鐘，代表每一行有1 920個(gè)像素點(diǎn)。

3.2 DDR3-SDRAM緩存控制部分

    DDR3-SDRAM數(shù)據(jù)的存取使用了Spartan6系列FPGA提供的MIG IP核，同時(shí)也需要MCB硬核與外部的SDRAM芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在Xilinx編譯環(huán)境ISE中生成SDRAM控制器后，就可運(yùn)用MIG IP核用戶接口進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，本系統(tǒng)中MIG IP核配置成兩個(gè)位寬為64 bit的雙向端口，一個(gè)端口用于寫(xiě)數(shù)據(jù)，一個(gè)端口用于讀數(shù)據(jù)。其工作狀態(tài)示意圖如圖5所示，在MIG IP核的前端和后端分別加入一個(gè)寫(xiě)數(shù)據(jù)FIFO和讀數(shù)據(jù)FIFO，對(duì)于調(diào)用此緩存模塊的邏輯來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于一個(gè)大容量的FIFO。在MIG IP核內(nèi)部，采用乒乓操作的方式來(lái)提高緩存效率，在緩存的過(guò)程中，將4 Gbit容量的存儲(chǔ)區(qū)域分為N個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的容量為一幀視頻數(shù)據(jù)的容量，在寫(xiě)入過(guò)程中，先將數(shù)據(jù)寫(xiě)入第1區(qū)域，第1區(qū)域?qū)憹M后開(kāi)始寫(xiě)下一區(qū)域（為第2區(qū)域，寫(xiě)下一區(qū)域時(shí)確保該區(qū)域數(shù)據(jù)為空），此時(shí)就可以讀取第1區(qū)域的數(shù)據(jù)，第1區(qū)域讀完再讀下一區(qū)域（為第2區(qū)域，在讀下一區(qū)域時(shí)確保該區(qū)域數(shù)據(jù)已滿）數(shù)據(jù)，依此順序循環(huán)讀寫(xiě)，完成乒乓操作。這種緩存方式可極大提高視頻數(shù)據(jù)緩存效率，有效解決高速大容量數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題，一幀視頻數(shù)據(jù)連續(xù)且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉的情況（地址不會(huì)交叉），避免了視頻顯示的拖影現(xiàn)象。

3.3 HDMI接口控制部分

    在HDMI工作之前，需要通過(guò)I2C總線給寄存器配置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式配置為RGB24，分辨率為1 920×1 080，視頻幀率為30 f/s。配置完成后，緩存區(qū)一數(shù)據(jù)滿時(shí)，就可讀取視頻數(shù)據(jù)按照特定時(shí)序發(fā)送給SiI9134，SiI9134數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序如圖6所示，行同步信號(hào)的下降沿代表一幀視頻數(shù)據(jù)的開(kāi)始，上升沿代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，當(dāng)一行數(shù)據(jù)發(fā)送完后開(kāi)始發(fā)送下一行數(shù)據(jù)，當(dāng)一幀數(shù)據(jù)最后一行發(fā)送完成后再發(fā)送下一幀畫(huà)面的第一行數(shù)據(jù)。以此重復(fù)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，DE為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，高電平有效。

4 測(cè)試結(jié)果

    硬件電路電氣性能測(cè)試完成后，開(kāi)始進(jìn)行整體性能的測(cè)試，在整體性能測(cè)試之前，還需要對(duì)FPGA程序進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，再對(duì)各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行測(cè)試，確保代碼準(zhǔn)確無(wú)誤。

4.1 DDR3-SDRAM測(cè)試

    利用Xilinx公司提供的ChipScope Pro工具對(duì)DDR3-SDRAM代碼進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中，由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生遞增數(shù)寫(xiě)入到寫(xiě)數(shù)據(jù)FIFO中，然后從讀數(shù)據(jù)FIFO中讀取數(shù)據(jù)，將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)和讀出的數(shù)據(jù)通過(guò)ChipScope Pro工具抓取，再對(duì)抓取結(jié)果繪出波形并進(jìn)行比對(duì)，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，讀寫(xiě)速度快且沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼情況，符合系統(tǒng)要求。

4.2 HDMI接口測(cè)試

    HDMI接口模塊測(cè)試結(jié)果如圖8所示，測(cè)試過(guò)程中，視頻數(shù)據(jù)源由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生，包括三基色、棋盤(pán)格、彩色條等數(shù)據(jù)，最后將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到支持1080p分辨率的顯示器上。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，顯示效果符合要求。

4.3 系統(tǒng)整體測(cè)試

    圖9所示為系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果，測(cè)試過(guò)程中，視頻數(shù)據(jù)源為攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DDR3-SDRAM緩存，再發(fā)送到HDMI接口芯片，然后通過(guò)HDMI連接器和傳輸線將差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸給顯示器。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，如圖9(a)所示，視頻顯示清晰完整；當(dāng)攝像頭移動(dòng)時(shí)，如圖9(b)所示，圖像顯示無(wú)拖影現(xiàn)象，證明通過(guò)DDR3-SDRAM高效緩存和乒乓操作結(jié)合的方式，能夠有效解決高速大容量數(shù)據(jù)的緩存問(wèn)題。

5 結(jié)論

    為了滿足人們對(duì)視頻顯示質(zhì)量的需求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種全高清視頻采集顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)以O(shè)miniVision公司的500萬(wàn)像素級(jí)別CMOS圖像傳感器OV5640為前端采集攝像頭，以Xilinx公司Spartan6系列FPGA作為主控芯片，以4 Gbit容量DDR3-SDRAM作為緩存芯片，再結(jié)合MCB硬核、MIG IP核以及乒乓操作，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高效緩存；同時(shí)以Silion Image公司的SiI9134為HDMI芯片，能有效支持全高清視頻。系統(tǒng)能夠穩(wěn)定采集顯示全高清視頻，顯示質(zhì)量高且無(wú)拖影現(xiàn)象，該系統(tǒng)可應(yīng)用于軍用監(jiān)控系統(tǒng)、民用多媒體系統(tǒng)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

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作者信息:

王少斌，蘇淑靖，袁財(cái)源

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）