一种多路图像采集系统的软件设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 一种多路图像采集系统的软件设计 工业现场因为环境复杂，实时性要求高，常常需要对一处或多处重要位置同时开展监控，且能够在需要时切换其中一幅画面全屏显示。这就要求设计一种实时视频监控系统，既能够满足工业现场应用的特殊环境，具有体积小、功耗低、可定制的特点，又能够对多点开展同时采集和同屏显示以及对其中的一路开展切换。 国内现有的视频监控方案一般是采用CCD摄像头+视频解码芯片（如SAA7113HADV7181B）+FPGACPLD+DSP的模式实现，其中视频解码芯片用来对CCD摄像头采集的模拟信号开展AD转换，FPGACPLD对数据采集开展控制，DSP终对数据开展处理

2、。这种方法开发周期长，成本高，且可更改性差。 本文介绍的系统主要由两片Altera公司的Cyclone系列的EP2C8Q20818和飞利浦公司的视频解码芯片SAA7113H以及外存储器件SRAM等组成。两片FPGA分别完成前端图像的采集和后端数据的处理，视频解码芯片完成模拟信号向数据信号的转换，存储器件在FPGA的控制下起到数据缓存作用。 1 系统描述 系统主要分为采集模块、解码模块、数据格式转换模块、存储模块、UART模块和LCDVGA显示模块，如下列图1所示。四片视频解码芯片在FPGA1的控制下通过I2C总线完成配置和初始化过程，输出8位与CCIR656兼容的YCrCb 4：2：2格式的视

3、频数据，同时还包括行同步HS、场同步VS和奇偶场RTS0等信号。由于显示终端支持的是标准的RGB格式的数据，所以要对视频解码芯片输出的YCrCb 4：2：2格式数据开展转换。经转换所得的RGB数据在FPGA2的控制下，配合相应的时序信号，截取要显示的有效的640 x480个像素，乒乓存入两个SRAM中，并终在：LCD VGA显示模块的控制下将数据显示在屏幕上。UART通讯模块集成在FPGA里，通过PC机的串口发送相应的控制命令，FPGA接收后切换相应通道的画面。 图1 系统构造图 2 系统软件构造 系统软件主要由采集模块、解码模块、存储模块、显示模块和UART模块组成，软件构造如图2所示。 图

4、2 软件构造图 3 ITU656解码 ITU656解码模块根据ITU656标准将4：2：2的数据流解码成ITU656标准视频流。ITU656并行接口除了传输4：2：2的YCbCr视频流外，还有行、场同步所用的控制信号。PAL制式的图像一帧有625行，每秒扫描25帧；每行数据由1128字节的数据块组成。其中，PAL制式23311行是偶数场视频数据，312552行是奇数场视频数据，其余为垂直控制信号。 图3为ITU656每行的数据构造。每行数据包含水平控制信号和YCbCr视频数据信号。视频数据字是以27兆字秒的速率传送的，其顺序是：Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，其中，Cb，Y.Cr这3个字指

5、的是同址的亮度和色差信号取样，后面的Y字对应于下一个亮度取样。每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV信号（有效视频结束），紧接着280个固定填充数据，是4字节的SAV信号（有效视频起始）。 图3 ITU656每行的数据构造 SAV和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。在每个时钟的上升沿读取从解码芯片传来的8位数据。当检测到一行数据的开始标志FF0000XY时，检测到SAV信号或EAV信号，提取H、F、V信号。然后发出开始命令，同时开启行列计数器，开始对接下来的图像数据开展解码，根据每个8位数据自身带的信息，

6、判断该数据为Y，Cr还是Cb，从而得到Y，Cr，Cb各分量的值。解码流程如图4所示。 图4 解码流程 4 帧存储控制器与LCDVGA显示控制器的设计 4.1 数据格式的转换 根据前面第2节的介绍，从ITU656解码模块出来的数据为8位4：2：2的YUV空间图像数据，而LCDVGA显示器只能接收RGB数据。因为Y-CrCb4：2：2格式不能直接转换为RGB，所以需要先转换为YCrCb4：4：4格式。 我们知道解码芯片得到的视频数据是顺序为Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，的序列，存储的时候将一个Y与一个C（Cb或Cr）结合起来组成一个16位的数据。而当数据被读出来时就要将这些视频数据转换为每个

7、像素占24位（Y、Cb、Cr各占8位）的4：4：4的数据流。4：2：2到4：4：4的转换采用简单的插值算法，在采样的时候，每隔一个像素才采色度值（Cb和Cr）。在转化时，直接将前一个有色度信息的像素点的Cr以及Cb的值直接赋给后一个像素的Cr和Cb，这样就能得到4：4：4的像素数据，每个像素占用24位位宽。 4.2 帧存储控制器 作为系统的重要组成部分，帧存储控制器主要用来开展有效数据的缓存。视频数据在FPGA1的控制下乒乓写入两片SRAM。乒乓技术应用的关键在于乒乓切换信号frame的产生，本系统中根据视频解码芯片的奇偶场信号RTS0来产生帧切换frame信号，也就是一个RTS0周期切换。一

8、个RTS0周期由一个奇场和一个偶场组成，是一副完整的画面。当frame为1是，FPGA通过计数器的计数截取终显示所需要的有效的像素点信息按照SRAM的控制时序写入SRAM1，同样当frame为0时，将对应的像素信息写入SRAM2，如图5所示。 图5 乒乓存储示意图 系统加电的同时，4片视频解码芯片同时工作，为了保证数据采集的准确性和显示的同步性，系统内生成一个八倍于像素时钟的写时钟信号write_clk，这样，在一个像素时钟周期，写时钟信号已经过了八个周期，而每两个周期分别完成一路图像数据的写过程。 由于SRAM是一维存储空间，一个地址对应一个数据。所以在写入数据时将SRAM的地址空间划分为4

9、段，每一段用来存储一路图像数据。 用程序实现比较简单，设置一个地址存放器sram_addr_reg，将它赋给SRAM的地址控制信号sram_addr。然后在对每一路图像写入时，将对应的SRAM的起始地址加上一个固定的基数。如： 这样就保证了SRAM中对应地址的数据和屏幕上显示位置的一一对应关系，在读程序中，只需要按照顺序读SRAM即可，如图6所示。 图6 SRAM地址验证 4.3 LCDVGA显示控制器 本模块主要是用FPGA来产生LCDVGA显示时所需要的时钟信号CLK（像素时钟信号）、VSYNC（帧同步信号）、HSYNC（行同步信号）和使能信号（VDEN），并在相应控制时序的作用下，依次将

10、显示缓存即SRAM中的数据依次读出，输出到LCD上的过程。 LCD显示所需的主要时序信号的关系如图7所示。 图7 LCD时序信号图 在系统中，LCD屏幕分辨率为640 x480，像素时钟CLK为25MHz，由于FPGA的主时钟输入选用了20 MHz的有源时钟，那么就要求利用Cyclone芯片的内部逻辑资源来实现时钟倍频，以产生所需要的CLK（25 MHz）、用Verilog语言编写参数化的时序生成模块，产生HSYNC（32 kHz）及VHY-NC（60 Hz）时钟信号，如图8所示。 图8 时序验证 VGA显示原理与LCD相似，除了在硬件上正确连接ADV7125芯片电路外根据需要的分辨率来生成相

11、应时钟信号即可。 5 图像抖动的分析与解决 在系统完成后软硬件联调时，出现画面抖动现象，其中以RTSO为基准而产生乒乓切换的那一路图像稳定，其他三路都出现不同程度的抖动现象。对此我们做了深入的分析和实验，分析整个系统的构造可知，系统在多个时钟控制下共同工作，也就是所说的典型的异步系统。我们知道，数据在异步系统传输时对时钟要求非常严格，稍微的一点时钟偏差都会带来对有效像素截取的偏差，终影响图像的显示质量。 解决的方法有两个，一是参加缓冲机制，利用FIFO对数据存储的特性来实现数据在异步时钟之间的无缝传输；二是同步时钟，利用状态机等方法使得异步系统的时钟能够尽可能同步。采用第二种方法对系统开展改良，首先系统中所有的分频、倍频尽量使用Quartus 6.0自带的PLL产生，并且使用专用时钟引脚开展时钟输出；其次把写时钟write_clk降为54M，也就是每隔一个像素采集。终，四路图像都能稳定显示。 6 结束语 本文实现了一种结合Altera公司生产的CycloneII系列FPGA与视频解码芯片ADV7181B的嵌入式图像采集系统。系统具有低功耗、