??? 關(guān)鍵詞：ＦＰＧＡ Ａ／Ｄ 視頻采集

??? 現(xiàn)代的圖形采集技術(shù)發(fā)展迅速，各種基于ＩＳＡ、ＰＣＩ等總線的圖形采集卡已能在市場(chǎng)上買(mǎi)到，但是價(jià)格比較昂貴，并且處理功能簡(jiǎn)單。對(duì)于特殊需要不能很好滿足，往往需要加上后續(xù)處理部分，這給特殊需要的用戶帶來(lái)了不便。采用現(xiàn)場(chǎng)可編程芯片及ＤＳＰ處理芯片構(gòu)成的圖像采集系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程，具有通用性好、價(jià)格相對(duì)便宜等特點(diǎn)。

??? 該系統(tǒng)采用ＰＨＩＬＩＰ公司最新推出的視頻Ａ／Ｄ芯片７１１１，將從ＣＣＤ輸出的ＰＡＬ制式的全電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由ＦＰＧＡ作為采樣控制器將該八位數(shù)字信號(hào)存入片內(nèi)ＲＡＭ中，隨后可根據(jù)具體需要由ＤＳＰ進(jìn)行預(yù)處理，提取有用數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)量已很?。?，然后將所需結(jié)果經(jīng)由ＩＳＡ總線交給計(jì)算機(jī)處理，完成接口功能。圖１所示為采集系統(tǒng)方框圖。

１ 視頻信號(hào)的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)化

??? 本文所研究的圖形對(duì)象是靜態(tài)的，要求采集５１２×５１２的灰度圖像，可采用ＣＣＤ攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集。ＣＣＤ的輸出為標(biāo)準(zhǔn)ＰＡＬ制式，因此需要進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)化。

??? 本系統(tǒng)采用的ＰＨＩＬＩＰ公司的視頻Ａ／Ｄ芯片ＳＡＡ７１１１具有四路視頻輸入，抗混濾波、梳狀濾波都被集成到芯片內(nèi)部，帶來(lái)了極大的方便。場(chǎng)同步信號(hào)ＶＲＥＦ、行同步信號(hào)ＨＲＥＦ、奇偶場(chǎng)信號(hào)ＲＥＳ１、像素時(shí)鐘信號(hào)ＬＬＣ２都由管腳直接引出，省去了以往的時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，可靠性也有所提高。系統(tǒng)內(nèi)部鎖相環(huán)技術(shù)的集成使得可靠性和設(shè)計(jì)復(fù)雜度都有極大的降低。
在７１１１中有控制字可以直接控制行同步有效時(shí)間，因此可以省略行延遲電路。

２ 邏輯控制部分

??? 本系統(tǒng)的核心控制部分由一片ＦＰＧＡ芯片實(shí)現(xiàn)。由于ＦＰＧＡ芯片具有高速、高可靠性、開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)，并且可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要進(jìn)行編程、可擦寫(xiě)多次，因而具有極大的方便性。隨著現(xiàn)代工藝的提高，芯片加工的成本有了極大的降低，可靠性也有保證，芯片的大小和功耗都有極大的降低，特別是３．３Ｖ的ＦＰＧＡ是現(xiàn)在廠商主推的產(chǎn)品，并且有繼續(xù)降低的趨勢(shì)?，F(xiàn)代高技術(shù)的發(fā)展使得ＦＰＧＡ應(yīng)用于電子設(shè)計(jì)中成為可能和必然趨勢(shì)。

??? 基于ＦＰＧＡ技術(shù)的采樣控制器要產(chǎn)生眾多的控制信號(hào)。當(dāng)微處理器發(fā)出采樣指令時(shí)，采樣控制器在此后到來(lái)的第一個(gè)幀同步信號(hào)到來(lái)時(shí)啟動(dòng)采樣，并將這幀數(shù)據(jù)存放在ＳＲＡＭ中，采樣結(jié)束后向微處理器發(fā)出采樣結(jié)束ＥＣＯ信號(hào)。采樣控制器主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)邏輯功能：地址發(fā)生器；握手邏輯；ＲＡＭ寫(xiě)時(shí)序。

??? （１）地址發(fā)生器由計(jì)數(shù)器及一部分Ｄ觸發(fā)器和邏輯門(mén)組成。主要具有場(chǎng)延遲功能和地址發(fā)生功能。由于所采圖像為５１２×５１２的正方形（這是由于系統(tǒng)后續(xù)處理的需要），７１１１中的輸出信號(hào)為７２０×６２５的矩形，因此需要對(duì)７１１１信號(hào)進(jìn)行行延遲和場(chǎng)延遲。

??? 在數(shù)字量存入內(nèi)存時(shí)，由于ＰＡＬ制式的全電視信號(hào)為奇、偶場(chǎng)分離，因此可以巧妙利用奇偶信號(hào)ＲＥＳ１作為地址線。根據(jù)ＲＥＳ１為垂直地址的高位或?yàn)榈刂返淖罡呶豢墒箞D像在內(nèi)存中的樣子如同一幅圖像或分為上下兩個(gè)半場(chǎng)分開(kāi)的圖像，如圖２所示。

??? 在存儲(chǔ)過(guò)程中可采用雙通道技術(shù)，即采用兩片內(nèi)存同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)總線由八位升至十六位，可使對(duì)ＲＡＭ寫(xiě)時(shí)序的要求降低一半。當(dāng)然這需要對(duì)７１１１輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，使得兩位數(shù)據(jù)能夠根據(jù)同一控制信號(hào)滿足ＲＡＭ寫(xiě)時(shí)序的要求，如圖３所示。

??? （２）握手邏輯是采樣控制器和ＣＰＵ之間的接口，它是由幾個(gè)Ｄ觸發(fā)器及邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)的，如圖４所示。

??? 當(dāng)ＣＳ１（正脈沖）啟動(dòng)采樣時(shí)，Ｄ１保存該信號(hào)，在下一個(gè)場(chǎng)同步脈沖到來(lái)時(shí)Ｄ２輸出高電平（即ＶＥＲ采樣使能信號(hào)）使行延遲計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)使Ｄ１復(fù)位，確保不再采第二場(chǎng)。當(dāng)延遲計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到預(yù)置值時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)ＴＲＩ（正脈沖），此時(shí)ＶＥＲ為“１”，則Ｄ３置位，輸出采樣使能信號(hào)ＳＥＮＢ（低有效）和地址選通信號(hào)ＡＢＳＷ，使后面的電路處在采樣狀態(tài)，在場(chǎng)同步脈沖下降沿Ｄ３翻轉(zhuǎn)，整個(gè)采樣控制電路處在不采樣狀態(tài)。Ｄ２要在下一個(gè)場(chǎng)同步脈沖的上升沿才變?yōu)闊o(wú)效。當(dāng)ＳＥＮＢ變?yōu)闊o(wú)效時(shí)（即ＳＥＮＢ的上跳沿）觸發(fā)Ｄ４，使Ｑ有效，向ＣＰＵ發(fā)出中斷申請(qǐng)ＩＮＴ，ＣＰＵ可用ＣＳ２清除這個(gè)中斷信號(hào)。

??? （３）ＲＡＭ寫(xiě)時(shí)序電路可根據(jù)芯片對(duì)寫(xiě)操作的具體要求來(lái)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采樣頻率為１３．５ＭＨｚ?即７４．１ｎｓ），采用雙通道技術(shù)可使寫(xiě)時(shí)序降低一半，寫(xiě)頻率為１３．５／２＝６．７５ＭＨｚ?即１４８．２ｎｓ）。ＳＡＡ７１１１提供了２７ＭＨｚ的晶振頻率，則四個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)寫(xiě)操作，時(shí)序的最小時(shí)間單位為１８．５ｎｓ（半個(gè)周期）。根據(jù)ＲＡＭ寫(xiě)操作的要求，可以設(shè)計(jì)各種控制信號(hào)（ＷＥ、ＨＳ、ＶＳ、ＣＳ、ＳＥＮＢ）、時(shí)鐘信號(hào)（ＣＬＫ）、地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)之間的關(guān)系。本系統(tǒng)采用的ＲＡＭ為ＩＳ６１Ｃ１０２４，可以滿足系統(tǒng)需要。

??? 采樣控制器擔(dān)負(fù)著重要的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的核心；而同步控制邏輯又是采樣控制器的控制核心。同步邏輯起著協(xié)調(diào)行、場(chǎng)同步信號(hào)、地址計(jì)數(shù)時(shí)鐘、ＳＲＡＭ寫(xiě)信號(hào)、采樣數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)之間的時(shí)間關(guān)系、保證ＳＲＡＭ寫(xiě)操作時(shí)各信號(hào)的時(shí)序配合。由于采樣頻率高達(dá)１３．５ＭＨｚ，因此在硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要不斷地模擬與仿真，有時(shí)要調(diào)整整個(gè)邏輯電路，計(jì)算延遲時(shí)間，解決電路中存在的競(jìng)爭(zhēng)與冒險(xiǎn)等等，這些都需要系統(tǒng)的可修改性好，具備可編程的特點(diǎn)。基于ＦＰＧＡ技術(shù)的ＡＳＩＣ設(shè)計(jì)滿足了上述要求，發(fā)揮了現(xiàn)場(chǎng)可編程的特點(diǎn)，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，因此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)十分方便。

３ ＤＳＰ處理技術(shù)

??? 在此采集系統(tǒng)中，基于ＤＳＰ的圖像處理技術(shù)也得到了應(yīng)用，特別是在圖像的模式識(shí)別問(wèn)題上充分發(fā)揮了ＤＳＰ的硬件結(jié)構(gòu)和具有特色的編程指令。圖像模式識(shí)別的典型算法是卷積運(yùn)算，也即乘累加，正好發(fā)揮ＤＳＰ軟、硬件的特長(zhǎng)。傳統(tǒng)的處理方法是基于計(jì)算機(jī)的硬件和軟件的，計(jì)算機(jī)完成一次乘累加運(yùn)算需要１１個(gè)機(jī)器周期，而ＤＳＰ完成同樣的運(yùn)算只需１個(gè)機(jī)器周期。本系統(tǒng)采用ＤＳＰ芯片實(shí)現(xiàn)圖像的模式識(shí)別，提高了處理速度，解決了圖像處理過(guò)程中由于圖像識(shí)別速度慢而影響整個(gè)圖像的處理流程，解決了實(shí)際問(wèn)題，收到了良好的效果。