第8章 图像处理电路设计基础

1、第8章 图像处理电路设计基础 8.1 视频AD设计 8.2 视频DA设计 8.3 FPGA设计 8.4 DSP设计 8.5 LCD接口设计 8.6 VGA接口设计 8.7 存储器接口设计 8.8 FLASH接口设计 8.1 视频AD设计 CVBS信号采集 VGA信号采集 分量信号采集 红外视频信号采集 模拟视频信号格式 1 CVBS信号 Composite Video Broadcast Signal或 Composite Video Blanking and Sync CVBS是一种被广泛使用的标准，也叫基带视频 或RCA视频，主要有NTSC、PAL制和SECAM制。 美国、加拿大等用NTS

2、C制，欧洲、中国等用PAL 制。它以模拟波形来传输数据，复合视频包括色 差和亮度信息，并将它们同步在消隐脉冲中，用 同一信号传输。 模拟视频信号格式 PAL制模拟视频 逐行扫描与隔行扫描 PAL制为25帧/秒、奇偶场合为一帧，每帧图像为625行，每场 为312.5行。每行周期64微秒，即行频为15625Hz。标准的数 字化视频为720*576像素/帧。 NTSC制为29.97帧/秒，每帧525行，标准的数字化视频为 720*480像素/帧。 行同步与场同步 行消隐与场消隐 开槽脉冲与均衡脉冲 模拟视频信号格式 模拟视频信号采集 1 CVBS信号采集 （1）用普通AD采集 只能采集亮度信号（形成

3、灰度图像），不能采集彩色 信号。优点是可以达到更高的采样精度。 同步分离 EL4583 锁相倍频 EL4584 采样控制 CPLD或FPGA 缓存 FIFO或DPRAM HSCLK VS FS CVBS ADC 模拟视频信号采集 （2）专用视频AD采集 主要有AD公司的ADV718x、Philips公 司的SAA71xx、TI公司的TVP51xx等。专 用视频AD内部集成了同频分离、亮度与色 度信号分离、AGC控制、梳状滤波器等。 一般都同时兼容PAL、NTSC、SECAM三 种制式。 模拟视频信号采集 2 VGA信号采集 （1）普通AD采集 锁相倍频 EL4584 采样控制 CPLD或FPG

4、A 缓存 FIFO或DPRAM HS CLK VS ADC1 ADC2 ADC3 R G B 模拟视频信号采集 （2）专用AD采集 如TI公司的TVP7002。内部集成了三路AD、锁相倍频、 放大器、RGB转YUV等，可直接采集普通的CVBS信号， 还能直接采集高清格式的720p、1080p以及VGA等模拟信 号。 模拟视频信号采集 3 S-Video与分量视频信号的采集 可采用普通AD采样，同CVBS信号的采集，只是 需要两路或三路AD。 也可采用专用AD采集，如TVP7002、ADV7441A 等。 模拟视频信号采集 4 红外视频信号采集 采样控制 CPLD或FPGA 缓存 FIFO或DP

5、RAM ADC 红外 探测器 CLK INT DataValid DAC Gpol 8.2 视频DA 主要有两类视频DA： 自带时序产生器，可以是CVBS信号，也可以 是VGA信号，具体时序由I2C总线配置寄存器 实现。因此，必须有I2C接口。可以由FPGA实 现I2C接口，也可以由带I2C接口的DSP控制。 不带时序产生器，控制时序由外部产生，如 FPGA或CPLD。因此，必须外接FPGA。 自带时序产生器的视频DA 不带时序产生器的视频DA 8.3 FPGA设计 FPGA电路设计的关键部分：电路设计的关键部分： 配置电路：设计出错则完全无法调试；配置电路：设计出错则完全无法调试； 时钟电路

6、：时钟电路： 输入时钟均需接到输入时钟均需接到FPGA专用时钟管脚，对于不需要倍频且频率较低的时钟，专用时钟管脚，对于不需要倍频且频率较低的时钟， 可接到可接到FPGA普通普通IO脚；脚； 经经FPGA的的PLL产生的时钟，如果要输出到其他器件的时钟管脚，则需由产生的时钟，如果要输出到其他器件的时钟管脚，则需由PLL 的输出时钟管脚输出。的输出时钟管脚输出。 参考电压管脚及参考电压管脚及IO电压：当某个电压：当某个BANK接特殊电平标准时，需要注意接特殊电平标准时，需要注意IO 电压是否接到正确的电压上，如果是像电压是否接到正确的电压上，如果是像DDR、DDR2、DDR3等等SSTL电电 平标

7、准，则需要注意参考电压管脚是否连接正确。平标准，则需要注意参考电压管脚是否连接正确。 高速高速IO管脚：当电路中有高速管脚：当电路中有高速IO接口时，如接口时，如RapidIO、千兆以太网、千兆以太网、 RocketIO、PCIe等，需要注意高速等，需要注意高速IO脚及其供电电路的连接。脚及其供电电路的连接。 8.3 FPGA设计 FPGA普通普通IO脚连接脚连接 由于由于FPGA是可重构的，普通是可重构的，普通IO脚功能都差不多，可以随便连接。脚功能都差不多，可以随便连接。 一般在一般在FPGA的的IO脚分配时，以便于脚分配时，以便于PCB布线为原则。但是有以布线为原则。但是有以 下几点需要

8、注意：下几点需要注意： 接接DDR存储器与接存储器与接LVDS差分信号的管脚一般分布在不同差分信号的管脚一般分布在不同BANK，而，而 且且DDR类器件的类器件的DQ管脚、管脚、DQS管脚、管脚、DM管脚、地址与控制管脚一管脚、地址与控制管脚一 般要接在般要接在FPGA的特殊管脚上，在设计的特殊管脚上，在设计DDR类器件接口时要特别注意，类器件接口时要特别注意， 管脚不可随意分配。管脚不可随意分配。 同一组数据总线最好接在同一个同一组数据总线最好接在同一个BANK，不要跨，不要跨BANK连接。连接。 不同不同IO接口电压的器件不可跨接口电压的器件不可跨BANK连接。连接。 有些管脚是复用管脚，

9、有些管脚只能做为输入或输出，一定要注意。有些管脚是复用管脚，有些管脚只能做为输入或输出，一定要注意。 8.4 DSP设计 CPU、DSP、ARM、PowerPC、单片机的比较、单片机的比较 PC机的机的CPU用于桌面计算机，对功耗没有限制，主频高、性能强，用于桌面计算机，对功耗没有限制，主频高、性能强， 但是实时性较差，主要与操作系统有关。但是实时性较差，主要与操作系统有关。 DSP、ARM、PowerPC、单片机均用于嵌入式系统，主要有以、单片机均用于嵌入式系统，主要有以 下区别：下区别： DSP内部集成硬件乘加器，有多个执行单元，专用于各种数字信号内部集成硬件乘加器，有多个执行单元，专用于

10、各种数字信号 处理；处理； ARM功耗低、接口丰富、应用广泛，可安装较多的操作系统，如手功耗低、接口丰富、应用广泛，可安装较多的操作系统，如手 机的各种操作系统，一般用于智能设备；机的各种操作系统，一般用于智能设备； PowerPC的运算性能与功耗介于的运算性能与功耗介于ARM和和DSP之间，有些之间，有些PowerPC 的性能和功耗甚至超过的性能和功耗甚至超过DSP，也可安装不同的操作系统，如，也可安装不同的操作系统，如Linux、 VxWORKS等；等； 单片机功能最弱，但是价格便宜，一般用于各种简单的控制系统中。单片机功能最弱，但是价格便宜，一般用于各种简单的控制系统中。 DSP系统与P

11、C机对比： PC机组成机组成 DSP系统组成系统组成 主板主板 电路板电路板 CPU DSP 内存内存 各种各种RAM 硬盘硬盘 FLASH 显示器显示器 LED、LCD或监视器或监视器 鼠标键盘等鼠标键盘等 各种按键各种按键 DSP与CPU对比： 选择时应考虑的因素选择时应考虑的因素: DSP CPU 主频主频 =3G 缓存大小缓存大小 =8M =12M 型号型号 CXXX、TSXXX等等 奔腾、酷睿等奔腾、酷睿等 生产厂商生产厂商 TI、AD Intel、AMD TI公司DSP选型 1.TMS320C2000系列：主要用于工业控制，其中系列：主要用于工业控制，其中C24x速度为速度为 20

12、40MHz，C28x速度为速度为100150MHz； 2.TMS320C5000系列：低功耗系列。在音频处理和通信方面用得较多。系列：低功耗系列。在音频处理和通信方面用得较多。 其中其中C55x功耗最低，速度可达功耗最低，速度可达300MHz；而；而OMAP系列为双核系列为双核CPU，包，包 括一个括一个C55的核和一个的核和一个ARM9的核；的核； 3.TMS320C6000系列：高性能系列，目前最高的是系列：高性能系列，目前最高的是C6678，内部含有，内部含有8 个个C66的核，主频可达的核，主频可达1.25G；其次是；其次是C64系列，最低的是系列，最低的是C62系列；系列； C67为

13、浮点为浮点DSP。 达芬奇系列：专用于视频处理，片上带有专门的图像达芬奇系列：专用于视频处理，片上带有专门的图像/视频处理模块，如视频处理模块，如 图像采集、图像缩放、图像压缩、图像显示、画中画、直方图处理等。图像采集、图像缩放、图像压缩、图像显示、画中画、直方图处理等。 从应用上来分 C6000系列DSP主要外设 EMIF（注意各种存储器的区别） HPI、PCI、XBUS MCBSP、MCASP、UART TIMER DMA、EDMA VP EMAC、MDIO I2C GPIO VCXO、VCP、TCP、UTOPIA DSP最小系统 时钟源及PLL外围电路 复位电路 译码电路 存储器 JTA

14、G 电源 初始化上下拉电阻 需要进行初始化上下拉的管脚 1. BOOT模式 2. Endian模式 3. 时钟模式 4. EMIF时钟选择（对C6x1x而言） 5. 部分JTAG管脚和保留管脚 6. 复用管脚的功能选择 7. NMI、ARDY、HOLD、HCS、XHOLD、 XRDY、XCS等 不同的DSP，初始化管脚不一样，请参见各自的 DataSheet DSP总线设计 数据总线和地址总线最好接上33欧姆左右的电阻排，一方面起到阻抗 匹配的作用，一方面便于调试时测量信号，还有就是当设计有错误时 方便飞线。当总线上挂接的器件较多时，最好用驱动芯片(244或245) 将同步器件和异步器件隔离开

15、。如下： 总线 同步器件1 同步器件2 同步器件n 驱动 异步器件1 异步器件2 异步器件n 多DSP互连 如果单片DSP不满足速度要求，就需要多片。多片DSP可 以并行处理也可以串行处理。如果DSP之间需要传输的数 据量不大，可以直接用McBSP、HPI、UTOPIA等接口进 行通信，如果数据量较大，则需要使用双口RAM或FIFO。 TI公司新推出的C6455含有一组RapidIO，另外该DSP还 可以直接接DDR2 SDRAM。RapidIO可以用于两片DSP 之间进行高速通信。而AD公司的DSP含有4个或6个Link 口，比较适合多片扩展。 1.串行处理 2.并行处理 多DSP互连 DS

16、P1DSP2DSPn输出 输入 DSP1 DSP2 DSPn 控制输出 输入 与PC机的接口 1.USB 2.PCI 3.串口（注意同步串口与异步串口的区别） 4.并口 5.网口 6.与PC机接口时，需要三方软件：固件程 序、驱动程序、应用程序。 8.5 LCD接口 视频显示器件 CRT LCD PDP OLED DLP 数字显示器件 CRT 最早的显示器 刷新率高、可视角度大、响应快 某些区域可能出现聚焦不良或散焦，存在色彩 漂移，体积大，重量大 数字显示器件 LCD 第二代显示器 体积小、重量轻 反应速度慢、容易有残影或拖尾、容易有坏点、 容易有偏色 数字显示器件 PDP（等离子显示器）（

17、等离子显示器） 与与CRT相比：体积小、重量轻、屏幕亮度均匀、相比：体积小、重量轻、屏幕亮度均匀、 不受磁场影响、不存在聚焦问题不受磁场影响、不存在聚焦问题 与与LCD相比：亮度高、色彩好、灰度丰富、响相比：亮度高、色彩好、灰度丰富、响 应速度快、视角大应速度快、视角大 容易与大规模集成电路集成，工艺方便，结构容易与大规模集成电路集成，工艺方便，结构 简单简单 缺点：功耗大，需要多组风扇来散热缺点：功耗大，需要多组风扇来散热 数字显示器件 OLED （有机发光显示器）（有机发光显示器） 目前比较流行的显示器目前比较流行的显示器 发光原理与发光原理与LED相似相似 分为分为PMOLED和和AMO

18、LED 优点：优点： 薄膜化全固态器件，无真空腔，无液态成分薄膜化全固态器件，无真空腔，无液态成分 亮度高、视角宽（左右视角超过亮度高、视角宽（左右视角超过160度）度） 响应快，响应速度为微秒级，是响应快，响应速度为微秒级，是LCD的的1000多倍多倍 易于实现全彩色易于实现全彩色 低功耗、工艺简单、成本低低功耗、工艺简单、成本低 可以可以-4085度范围内工作度范围内工作 数字显示器件 DLP（数字光处理）（数字光处理） 用于投影用于投影 采用采用TI公司开发的数字微反射器镜器件公司开发的数字微反射器镜器件 （Digital Micromirror Device，DMD）完成）完成 数字信

19、息的显示数字信息的显示 视频显示系统 CRT显示器一般采用显示器一般采用VGA接口，需要将数字信号变为模接口，需要将数字信号变为模 拟信号再显示。拟信号再显示。R、G、B三个模拟信号，三个模拟信号，VS和和HS为数字为数字 信号。信号。 有两种不同的有两种不同的DA可以接可以接VGA显示器：显示器： 一种是可以不用一种是可以不用FPGA，由，由DSP通过通过I2C接口给接口给DA的寄存器配置的寄存器配置 行周期、帧周期等，行周期、帧周期等，DA自己产生行同步和帧同步。自己产生行同步和帧同步。 另一种没有另一种没有I2C接口，直接由接口，直接由FPGA产生行同步和帧同步。产生行同步和帧同步。 视

20、频显示系统 LCD与与OLED显示显示 两者接口基本相同两者接口基本相同 有三种接口形式：有三种接口形式： （1）与）与CRT相同接口（相同接口（VGA），需要驱动板；），需要驱动板； （2）数字接口（带行同步、帧同步、）数字接口（带行同步、帧同步、RGB数据）；数据）； （3）数字接口（与）数字接口（与CPU接口）。接口）。 8.6 VGA接口设计 VGA接口由以下信号组成接口由以下信号组成 HS：行同步，数字信号；：行同步，数字信号； VS：帧同步，数字信号；：帧同步，数字信号； DGND：数字地；：数字地； R：红色分量，模拟信号；：红色分量，模拟信号； G：绿色分量，模拟信号；：绿色分

21、量，模拟信号； B：蓝色分量，模拟信号；：蓝色分量，模拟信号； AGND：模拟地；：模拟地； 地址码、测试信号：一般用于测试，常规情况下不用。地址码、测试信号：一般用于测试，常规情况下不用。 2 VGA信号 VGA信号 FPGA 图像缓存 输入视频 ADV7123 VGA显示器 R7:0 G7:0 B7:0 CSYNC CBLANK R G B HS VS 8.7 存储器接口设计 存储器类型：存储器类型： RAM： SRAM SSRAM SDRAM（SDR、DDR、DDR2、DDR3） DPRAM ROM： ROM PROM EPROM EEPROM FLASH（NOR FLASH、NAND

22、FLASH） 8.7 存储器接口设计 DSP与存储器接口与存储器接口 一般一般DSP自带存储器接口（自带存储器接口（EMIF），可接多种同步或），可接多种同步或 异步存储器。如异步存储器。如C6000系列系列DSP，可直接与，可直接与SRAM、 SSRAM、FLASH、SDRAM接口，有的还可以与接口，有的还可以与 DDR2或或DDR3 SDRAM直接接口。直接接口。 对于对于NAND FLASH，TI公司新推出的公司新推出的DSP基本都带专基本都带专 用的接口，而旧的用的接口，而旧的DSP则需由则需由IO口及口及EMIF口配合实现口配合实现 对对NAND FLASH的控制。的控制。 8.7

23、存储器接口设计 FPGA与存储器接口与存储器接口 新的新的FPGA可与任何存储器接口，但是复杂的可与任何存储器接口，但是复杂的 存储器需要专用存储器需要专用IP的支持，如的支持，如SDRAM（无论（无论 是是SDR还是还是DDR）、）、NAND FLASH等。等。 而而SRAM、SSRAM接口则比较简单。接口则比较简单。 在硬件连接时需考虑接口电平标准，而连接在硬件连接时需考虑接口电平标准，而连接 DDR类的存储器时，还要考虑管脚的分配问题。类的存储器时，还要考虑管脚的分配问题。 8.8 FLASH接口设计 NOR FLASH接口接口 主要信号：主要信号： 数据总线数据总线 地址总线地址总线 CE OE WE 一般分为擦除、编程（写）和读取。而擦除又分为块擦除和芯片擦除。一般分为擦除、编程（写）和读取。而擦除又分为块擦除和芯片擦除。 在没有进行编程时，所以存储空间的内容都为在没有进行编程时，所以存储空间的内容都为0 xFF。编程即对不同空间写入想要。编程即对不同空间写入想要 的数据。的数据。 写入数据后必须擦除才能再