0 引言

    隨著視頻顯示技術的發(fā)展，視頻信號從之前的標清發(fā)展到高清，再發(fā)展到全高清，其分辨越來越高，數(shù)據(jù)量也成倍增加，這就推進了顯示接口技術的高速發(fā)展，顯示接口技術經(jīng)過了一個從模擬到數(shù)字、從并行到串行、低速到高速的發(fā)展過程^[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，支持的分辨率更高，不僅能夠傳輸視頻信號，還能傳輸音頻信號，且具備版權保護功能^[4]。HDMI接口已成為液晶顯示器、平板帶腦、筆記本電腦等設備的標準接口之一，得到了廣泛應用^[5-6]。本系統(tǒng)中不僅實現(xiàn)了標準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500萬像素級別CMOS攝像頭OV5640，輸出視頻信號分辨率可達2K級別，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致的拖影問題，該系統(tǒng)選用容量為4 Gbit的DDR3 SDRAM作為換緩存介質，通過Xilinx公司的MIG IP和對其進行控制，再結合乒乓操作，能有效解決高數(shù)大容量數(shù)據(jù)的緩存問題，使顯示質量更高。本系統(tǒng)實現(xiàn)了全高清視頻信號的采集及高質量顯示，其能應用到多種領域，包括軍用監(jiān)控領域、多媒體領域、醫(yī)用領域等。

1 方案設計

    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，在其開始采集之前需要FPGA主控模塊通過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，能有效解決高速大容量數(shù)據(jù)的緩存問題；HDMI接口電路主要包含一塊HDMI接口芯片，其作用是實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的并串轉換；最后，串行視頻數(shù)據(jù)通過HDMI傳輸線傳輸?shù)街С諬DMI接口的顯示器上，就能實時顯示全高清視頻圖像。

2 主要硬件電路設計

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500萬像素級別CMOS圖像傳感器，支持分辨率可達2K級別，能輸出多種圖像格式數(shù)據(jù)，且支持多種自適應調(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基于公認的低功耗45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術，提供了高級功耗管理技術、150 000個邏輯單元、硬核DRAM存儲器以及多種IP等，是Xlinx公司應用最為廣泛、技術非常成熟的一個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)的緩存問題，此系統(tǒng)選用Micron公司4 Gbit容量DDR3-SDRAM存儲芯片MT41J256M16HA-125作為緩存介質，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為差分時鐘輸入端口，本系統(tǒng)中設定時鐘頻率為312.5 MHz；FPGA通過列地址選擇信號(CAS)、行地址選擇信號(RAS)、寫使能信號(WE)對DDR3-SDRAM進行讀寫控制，通過控制ODT使能片內(nèi)電阻優(yōu)化性能來防止數(shù)據(jù)線中斷反射^[12]；DQS為DDR3-SDRAM與控制器之間的同步信號，其為雙向信號，當寫入數(shù)據(jù)時，其由控制器發(fā)出，當讀取數(shù)據(jù)時，其由存儲器發(fā)出；DM為數(shù)據(jù)屏蔽信號^[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，端口電壓標準為1.5 V，且在FPAG UCF中，需要設定IO標準為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的硬件連接關系如圖3所示。在芯片工作之前，需要通過I2C(SCL、SDA)總線將寄存器信息配置到芯片里，配置過程中頻率為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)同步時鐘，此芯片1080p視頻格式的時鐘為148.5 MHz，DE為數(shù)據(jù)有效信號，高電平有效；HS、VS分別為行同步信號和場同步信號；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，轉換成串行數(shù)據(jù)后通過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 控制邏輯設計

    本系統(tǒng)控制邏輯設計中，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)先進行復位操作，然后進入初始化狀態(tài)，系統(tǒng)給OV5640和SiI9134發(fā)送配置信息，DDR3-SDRAM也開始進入初始化和校驗過程。所有初始化工作完成后，系統(tǒng)判斷OV5640是否配置結束，如果配置結束，系統(tǒng)將獲取視頻數(shù)據(jù)，并將其存入DDR3-SDRAM中。當緩存區(qū)有數(shù)據(jù)且SiI9134配置結束后，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對上電的時序有一定的要求，所以滿足此上電時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SCCB總線就能完成，此系統(tǒng)中配置了303個寄存器；待OV5640配置完成和DDR3-SDRAM初始化和校準完成后，就可獲取視頻數(shù)據(jù)；控制OV5640需要先提供一個系統(tǒng)時鐘XVCLK，為192 MHz，然后識別像素輸出時鐘（PCLK）、場同步信號（VSYNC）、行同步信號（HREF）來獲取數(shù)據(jù)。場同步信號下降沿表示一幀數(shù)據(jù)的開始，行同步信號為高電平時為有效數(shù)據(jù)輸出，在場同步信號低電平之間，行同步信號會出現(xiàn)1 080次高電平，代表一幀數(shù)據(jù)有1 080行數(shù)據(jù)；在行同步信號處于高電平期間會持續(xù)1 920個像素輸出時鐘，代表每一行有1 920個像素點。

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，同時也需要MCB硬核與外部的SDRAM芯片進行數(shù)據(jù)交換。在Xilinx編譯環(huán)境ISE中生成SDRAM控制器后，就可運用MIG IP核用戶接口進行數(shù)據(jù)存取，本系統(tǒng)中MIG IP核配置成兩個位寬為64 bit的雙向端口，一個端口用于寫數(shù)據(jù)，一個端口用于讀數(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寫數(shù)據(jù)FIFO和讀數(shù)據(jù)FIFO，對于調(diào)用此緩存模塊的邏輯來說，就相當于一個大容量的FIFO。在MIG IP核內(nèi)部，采用乒乓操作的方式來提高緩存效率，在緩存的過程中，將4 Gbit容量的存儲區(qū)域分為N個區(qū)域，每個區(qū)域的容量為一幀視頻數(shù)據(jù)的容量，在寫入過程中，先將數(shù)據(jù)寫入第1區(qū)域，第1區(qū)域寫滿后開始寫下一區(qū)域（為第2區(qū)域，寫下一區(qū)域時確保該區(qū)域數(shù)據(jù)為空），此時就可以讀取第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，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)的緩存問題，一幀視頻數(shù)據(jù)連續(xù)且不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)交叉的情況（地址不會交叉），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，就可讀取視頻數(shù)據(jù)按照特定時序發(fā)送給SiI9134，SiI9134數(shù)據(jù)發(fā)送時序如圖6所示，行同步信號的下降沿代表一幀視頻數(shù)據(jù)的開始，上升沿代表一幀數(shù)據(jù)的結束，當一行數(shù)據(jù)發(fā)送完后開始發(fā)送下一行數(shù)據(jù)，當一幀數(shù)據(jù)最后一行發(fā)送完成后再發(fā)送下一幀畫面的第一行數(shù)據(jù)。以此重復循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，DE為數(shù)據(jù)有效信號，高電平有效。

4 測試結果

    硬件電路電氣性能測試完成后，開始進行整體性能的測試，在整體性能測試之前，還需要對FPGA程序進行功能仿真和時序仿真，再對各個功能模塊分別進行測試，確保代碼準確無誤。

4.1 DDR3-SDRAM測試

    利用Xilinx公司提供的ChipScope Pro工具對DDR3-SDRAM代碼進行測試，測試過程中，由系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生遞增數(shù)寫入到寫數(shù)據(jù)FIFO中，然后從讀數(shù)據(jù)FIFO中讀取數(shù)據(jù)，將寫入的數(shù)據(jù)和讀出的數(shù)據(jù)通過ChipScope Pro工具抓取，再對抓取結果繪出波形并進行比對，測試結果如圖7所示。從測試結果來看，讀寫速度快且沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼情況，符合系統(tǒng)要求。

4.2 HDMI接口測試

    HDMI接口模塊測試結果如圖8所示，測試過程中，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。從測試結果來看，顯示效果符合要求。

4.3 系統(tǒng)整體測試

    圖9所示為系統(tǒng)整體測試結果，測試過程中，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DDR3-SDRAM緩存，再發(fā)送到HDMI接口芯片，然后通過HDMI連接器和傳輸線將差分數(shù)據(jù)傳輸給顯示器。從測試結果來看，如圖9(a)所示，視頻顯示清晰完整；當攝像頭移動時，如圖9(b)所示，圖像顯示無拖影現(xiàn)象，證明通過DDR3-SDRAM高效緩存和乒乓操作結合的方式，能夠有效解決高速大容量數(shù)據(jù)的緩存問題。

5 結論

    為了滿足人們對視頻顯示質量的需求，本系統(tǒng)設計了一種全高清視頻采集顯示系統(tǒng)，系統(tǒng)以OminiVision公司的500萬像素級別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，再結合MCB硬核、MIG IP核以及乒乓操作，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的高效緩存；同時以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，顯示質量高且無拖影現(xiàn)象，該系統(tǒng)可應用于軍用監(jiān)控系統(tǒng)、民用多媒體系統(tǒng)以及醫(yī)學等領域。

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作者信息:

王少斌，蘇淑靖，袁財源

（中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051）