基于FPGA的視頻采集顯示系統(tǒng)

摘要 設計實現(xiàn)一種基于FPGA的視頻采集顯示系統(tǒng)，包括視頻圖像的采集、處理與顯示3個部分。視頻圖像部分采用CCD攝像頭OV7670作為視頻數(shù)據(jù)的采集，利用在FPGA中構建FIFO并配合SDRAM高速讀寫實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的高速緩存處理，使用FPGA中構建的Nios Il嵌入式內核，實現(xiàn)對SDRAM的控制以及視頻數(shù)據(jù)的TFT液晶實時顯示。整個系統(tǒng)獲得了較好圖像采集、顯示效果。
關鍵詞 FPGA；視頻處理；TFT LCD；Nios II

隨著高品質實時視頻顯示技術低，民用領域如天氣預報、資源探測、機器人視覺以及各種醫(yī)學圖像的實時分析；軍用領域如導彈精確制導、戰(zhàn)場動態(tài)分析等，均需要高質量實時視頻顯示系統(tǒng)的支持。近年來低成本的FPGA(Filed Programmable Gate Array)不斷推陳出新，利用EDA工具對FPGA芯片進行多樣性設計，已經成為電子設計的通用平臺，并逐步向支持系統(tǒng)級設計的方向發(fā)展。與專用集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片
具有快速的定制性和高靈活性，擴展性強的特點。作為一個平臺，F(xiàn)PGA已適用于高性能低成本的視頻和圖像處理，尤其在圖像分辨率和幀率要求較高的場合。
設計采用CMOS圖像傳感器OV7670對外界圖像進行實時采集，通過FPGA內部設計的初始化模塊對圖像傳感器輸出信號的格式進行配置。根據(jù)其輸出信號的時序，在FPGA內部設計采集單元。采集到的數(shù)據(jù)經過格式轉換送到內部配置的Nios II嵌入式內核，Nios II嵌入式內核將實現(xiàn)LCD顯示屏控制與視頻數(shù)據(jù)的實時顯示。

1 系統(tǒng)總體設計
基于FPGA實現(xiàn)的視頻顯示系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要分為：視頻采集模塊、PLL鎖相環(huán)時鐘管理模塊、I2C總線模塊、FI FO視頻數(shù)據(jù)處理模塊、Nios II顯示控制模塊。系統(tǒng)中PLL負責為NiosII嵌入式內核、外部SDRAM和OV7670攝像頭提供時鐘，系統(tǒng)通電后，F(xiàn)PGA首先從EPCS中讀取配置數(shù)據(jù)，完成自身程序加載，隨后對系統(tǒng)時鐘分頻為攝像頭提供系統(tǒng)時鐘，然后通過I2C總線完成對OV7670攝像頭的配置。

配置完成后，OV7670將采集到的視頻數(shù)據(jù)輸出格式轉換成RGB565標準的視頻數(shù)據(jù)及圖像時鐘送入FPGA進行處理，并將處理后的圖像數(shù)據(jù)通過FIFO模塊暫時存儲在SDRAM中進行緩沖，同時Nios II模塊讀取存放在SDRAM中的視頻圖像數(shù)據(jù)，按照TFT液晶顯示的時序、數(shù)據(jù)要求將視頻圖像數(shù)據(jù)送到TFT彩色液晶顯示屏上顯示。
1．1 FPGA選型
FPGA是該系統(tǒng)的核心，由于系統(tǒng)目前只是完成簡單的圖像處理，故FPGA選用Altera公司的低成本FPGA Cyclone II系列器件。Cyclone II系列器件簡介如表1所示。

Cyclone II器件采用90 nm工藝制造，它延續(xù)Cyclone的低成本定位，在邏輯容量、PLL、乘法器和I／O數(shù)量上都比Cyclone有了較大提高，應用Cyclone II進行圖像處理開發(fā)有如下優(yōu)點：(1)低成本高性能，適應圖像處理要求較高的需要。(2)豐富的內嵌存儲器資源，適應大量圖像數(shù)據(jù)存取的需要。(3)豐富的硬件乘法器，適應圖像處理算法的需要。系統(tǒng)的FPGA選用開發(fā)板自帶的EP2C5Q208C8芯片。