基于XC3S200的通用視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
視頻采集的主流實(shí)現(xiàn)方案有兩種:一是基于ASIC,該方案一般采用意法、AMD等公司的專用視頻處理芯片;二是基于DSP,主要采用、ADI等公司的DSP信號(hào)處理器。它們作為輔處理器,可在主CPU控制下進(jìn)行視頻信號(hào)的采集壓縮。隨著FPGA的發(fā)展,通過SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集已成為一種易于開發(fā)、設(shè)計(jì)靈活的方案。而這主要得益于IP復(fù)用技術(shù)的發(fā)展。在FPGA上構(gòu)建復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)可利用既有的功能模塊及其驅(qū)動(dòng)程序。該方案具有更大的集成度和靈活性,因而必將成為電子設(shè)計(jì)發(fā)展的一大趨勢(shì)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201809/389148.htm本文介紹了采用Xilinx公司的Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)通用視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)外接模擬PAL/NTAL制式的攝像頭,就能實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)并進(jìn)行MPEG-4格式壓縮編碼,碼流可通過USB接口傳給PC機(jī),或通過以太網(wǎng)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)選用的是Spartan-3 FPGA系列的XC3S200芯片,該芯片有4320個(gè)邏輯單元(LC)、216Kbit BlockRAM、4個(gè)數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DDL)、173個(gè)用戶I/O,而且邏輯密度高、I/O多、成本低。本設(shè)計(jì)主要涉及電路板級(jí)硬件設(shè)計(jì)、FPGA片級(jí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。
1 板級(jí)硬件設(shè)計(jì)
FPGA在電源和配置電路的支持下,即可構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的最小化系統(tǒng),并能實(shí)現(xiàn)片內(nèi)的所有功能。在此最小化系統(tǒng)上,就可以根據(jù)本設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求,來擴(kuò)展外部存儲(chǔ)模塊、視頻采集模塊、USB接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊等功能模塊電路,從而形成電路板級(jí)硬件平臺(tái)。該板級(jí)硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。
1.1 最小化系統(tǒng)
該FPGA是基于SRAM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的器件。每次上電時(shí)可將配置數(shù)據(jù)從外部配置存儲(chǔ)器加載到內(nèi)部SRAM中,以使其構(gòu)建邏輯結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)邏輯功能。配置調(diào)試模塊主要包括配置存儲(chǔ)器、配置模式跳線開關(guān)和JTAG調(diào)試端口,其中JTAG調(diào)試端口是系統(tǒng)開發(fā)階段PC機(jī)與FPGA的通信接口,可用于從PC機(jī)下載FPGA配置數(shù)據(jù),并在程序調(diào)試階段作為聯(lián)機(jī)接口。本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司Platform. Flash系列配置存儲(chǔ)器XCF02S,并采用14針JTAG接口。模式跳線開關(guān)可決定FPGA是由JTAG還是由配置存儲(chǔ)器來進(jìn)行配置。系統(tǒng)時(shí)鐘模塊可對(duì)XC3S200提供50 MHz高頻時(shí)鐘信號(hào),它采用高穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器分立元件。電源管理模塊采用DC/DC變換器來為系統(tǒng)各元件提供需要的各種電壓電流。以上部分與FPGA芯片相連即可構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)工作的最小化系統(tǒng)。
1.2 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展
由于XC3S200的片內(nèi)存儲(chǔ)容量有限且掉電即失,因此必須配置大容量的外部?jī)?chǔ)存器。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展了4MByte的flash和32MByte的SDRAM (包括一片AMD公司的AM29LV320DT90EC型Flash和兩片HYNIX公司的HY57V281620HCT-PI型SDRAM)。其中Flash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。而SDRAM掉電數(shù)據(jù)即失,但其存取速度大大高于Flash且可讀可寫,因而在系統(tǒng)中用作程序的運(yùn)行空間、臨時(shí)數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)等。
1.3 視頻采集模塊
TVP5150是公司推出的一款超低功耗的高性能混合信號(hào)視頻解碼芯片,可自動(dòng)識(shí)別NTSC/PAL/SECAM制式的模擬信號(hào),并將其按照YCbCr4:2:2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),然后以8位內(nèi)嵌同步信號(hào)的ITU-RBT.656格式輸出。TVP5150具有價(jià)格低、體積小、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。FPGA對(duì)TVP5150芯片的操作是通過I2C總線實(shí)現(xiàn)的,數(shù)據(jù)傳輸連接方式采用最簡(jiǎn)單的ITU-RBT.656方式。
1.4 USB接口模塊
USB接口模塊選用PHILIPS公司的高性能USB接口芯片PDIUSBD12。該芯片完全符合USB1.1規(guī)范,可支持DMA傳輸,并可通過高速8位并行接口和FPGA進(jìn)行通信,其最高并行接口速率可達(dá)到2 MB/s。
1.5 以太網(wǎng)接口模塊
該模塊采用Realtek公司生產(chǎn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。RTL8019AS支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)和8位或16位數(shù)據(jù)總線。其內(nèi)置16KB的SRAM可用于收發(fā)緩沖。在全雙工模式時(shí),其收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps。RTL8019AS可支持10Base5、10Base2、10BaseT,并能自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì)。本設(shè)計(jì)采用RTL8019AS跳線接口模式,并通過16位數(shù)據(jù)總線連接FPGA。
2 片級(jí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在Spartan-3上構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是MicroBlaze IP核。這是一種用硬件描述語言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的32位微處理器,采用RISC指令集和Ha rvard體系結(jié)構(gòu)??筛鶕?jù)不同的外設(shè)和存儲(chǔ)器配置進(jìn)行定制,并可以針對(duì)應(yīng)用來調(diào)整處理器系統(tǒng)架構(gòu)。在Spartan-3系列芯片上進(jìn)行該配置大約占用500 Slices。該IP核具有32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)專用寄存器。其32位寬的指令系統(tǒng)能支持3個(gè)操作數(shù)和兩種尋址方式,而其獨(dú)立的32位指令和數(shù)據(jù)總線則可與IBM的OPB總線完全兼容。通過模塊中的LMB總線,其32位指令和數(shù)據(jù)可直接與片內(nèi)的塊存儲(chǔ)器相連。此外,該IP核還具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存(Cache)、三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)、32位地址總線、硬件調(diào)試邏輯、8個(gè)輸入和8個(gè)輸出的快速鏈路(FSL)接口等。MicroBlaze軟處理器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。
在FPGA上設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí),可在最低層硬件資源上開發(fā)片內(nèi)外設(shè)IP核,或利用已開發(fā)的IP核搭建嵌入式系統(tǒng)的硬件部分,然后開發(fā)IP核的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用接口(API)和應(yīng)用層(算法)。通過標(biāo)準(zhǔn)總線接口將局部存儲(chǔ)器總線(LMB)和片內(nèi)外設(shè)總線(OPB)連接到片內(nèi)外設(shè)IP核,MicroBlaze處理器就可以和各種外設(shè)IP核及片內(nèi)BlockRAM相連。該開發(fā)工具提供的IP核均有相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用接口,使用者只需利用相應(yīng)的函數(shù)庫來編寫自己的應(yīng)用軟件和算法程序即可。對(duì)于用戶自己開發(fā)的IP核,則需要自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和接口函數(shù)。利用MicroBlaze處理器構(gòu)建的基本嵌入式系統(tǒng)如圖3所示。
在FPGA上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng),主要是構(gòu)建片內(nèi)MicroBlaze處理器,并為處理器添加片內(nèi)外設(shè)以實(shí)現(xiàn)硬件模塊功能,同時(shí)應(yīng)添加片內(nèi)外設(shè)與芯片外部引腳的連接。在開發(fā)片內(nèi)外設(shè)的同時(shí),應(yīng)開發(fā)外設(shè)功能的底層驅(qū)動(dòng)程序,然后在MicroBlaze處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序。這是個(gè)軟件與硬件協(xié)同開發(fā)的過程。以MicroBlaze處理器為核心的系統(tǒng)開發(fā)可使用Xilinx公司提供的EDK(Embedded Development Kit)。該EDK提供有一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform. Studio),它同時(shí)集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試器等工具。在此環(huán)境下調(diào)用各種工具即可完成軟硬件協(xié)同開發(fā)的整個(gè)流程。EDK提供有多種與MicroBlaze處理器相關(guān)的功能IP核,其中包括OPB 10/100M以太網(wǎng)控制器、PLB/OPB SDRAM控制器、UART中斷控制器、定時(shí)器及其它外圍設(shè)備接口等資源。使用EDK中的系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)向?qū)?Base System Builder Wizard)可進(jìn)行MicroBlaze處理器的配置,而使用添加外圍設(shè)備向?qū)?ImportPeripheral Wizard)則可調(diào)用既有IP核以生成片內(nèi)設(shè)備,并與處理器總線相連。
本系統(tǒng)的片內(nèi)主要功能模塊包括視頻接口模塊、環(huán)形緩沖區(qū)、碼流兩級(jí)FIFO緩沖區(qū)、MPEG-4編碼器、Flash控制器、SDRAM控制器、10/100M以太網(wǎng)控制模塊、USB控制模塊等。其中視頻接口模塊是MicroBlaze處理器與TVP5150的接口。MicroBlaze處理器對(duì)TVP5150的控制驅(qū)動(dòng)程序可從TVP5150驅(qū)動(dòng)程序模板移植而來,可用于實(shí)現(xiàn)TVP5150采集方式的配置,并將采集的視頻信號(hào)以4:2:0YUV格式存儲(chǔ)到環(huán)形緩沖區(qū)里。環(huán)形緩沖區(qū)是片內(nèi)與MicroBlaze處理器總線相連的SRAM存儲(chǔ)空間的一部分,其中數(shù)據(jù)隊(duì)列的首尾指針是由MicroBlaze處理器程序維護(hù)的。采用開發(fā)工具提供的FIFO模板可對(duì)其深度、位寬、讀寫時(shí)鐘、滿標(biāo)志等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,并將兩個(gè)FIFO相連以構(gòu)成兩級(jí)FIFO,然后將其入口與MPEG-4編碼器的輸出相連。FIFO的先一級(jí)與MicroBlaze處理器總線相連可支持DMA讀取。MPEG-4編碼器是Xilinx公司授權(quán)的MPEG-4 Simple Profile編碼器IP核,它接受環(huán)形緩沖區(qū)里未壓縮的4:2:0YUV格式視頻信號(hào)并可將其生成MPEG-4Simple Profile格式壓縮碼流。MPEG-4編碼器與MicroBlaze處理器總線和兩級(jí)FIFO輸入相連,可為EDK提供其驅(qū)動(dòng)程序。Flash控制器、SDRAM控制器、10/100M以太網(wǎng)控制器的實(shí)現(xiàn)軟件在EDK中已提供,其與處理器總線的連接也在向?qū)Чぞ咧凶詣?dòng)設(shè)定,其驅(qū)動(dòng)程序就包含在其中。由于片外采用了高度集成的USB控制器,而片內(nèi)的USB控制模塊只是MicroBlaze處理器總線與引腳的直接相連,故其驅(qū)動(dòng)程序只是參考PDIUSBD12的一般驅(qū)動(dòng)程序在EDK軟件平臺(tái)上的移植。
本系統(tǒng)的片內(nèi)外設(shè)與MircoBlaze處理器的連接如圖4所示,其中箭頭表示視頻數(shù)據(jù)的流向。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中的MicroBlaze處理器對(duì)TVP515 0和PDIUSBD12的控制驅(qū)動(dòng)程序可根據(jù)其通用驅(qū)動(dòng)程序在EDK軟件平臺(tái)上移植生成。利用Xilinx公司提供的IP核可以搭建FPGA片內(nèi)硬件平臺(tái),同時(shí)可獲得底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的支持,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)。
外部模擬視頻信號(hào)經(jīng)TVP5150轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)后,即可進(jìn)入FPGA并通過視頻接口模塊直接排列到內(nèi)部環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾。
當(dāng)MircoBlaze處理器接收到MPEG-4編碼器可用中斷時(shí),系統(tǒng)將檢測(cè)環(huán)形緩沖區(qū)是否為空。非空時(shí),可將數(shù)據(jù)隊(duì)列的頭部數(shù)據(jù)取出送給MPEG-4編碼器,同時(shí)啟動(dòng)編碼器編碼。
視頻信號(hào)經(jīng)過編碼器編成視頻原碼流后,即可進(jìn)入FPGA內(nèi)部二級(jí)FIFO緩存。當(dāng)FIFO先一級(jí)滿時(shí)向MircoBlaze處理器發(fā)出數(shù)據(jù)輸出中斷請(qǐng)求。
MircoBlaze處理器響應(yīng)來自FIFO的中斷后,可將FIFO先一級(jí)數(shù)據(jù)取出并以USB或以太網(wǎng)接口輸出,然后清空FIFO先一級(jí)。
依據(jù)上面的工作過程,MircoBlaze處理器的應(yīng)用程序包括以下幾部分:
(1)系統(tǒng)復(fù)位初始化
即禁止外部中斷,初始化各驅(qū)動(dòng)程序,清空環(huán)形緩沖區(qū)和兩級(jí)FIFO,檢測(cè)USB接口、以太網(wǎng)接口連接以決定用何種方式輸出,然后啟動(dòng)對(duì)TVP5150的控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最后啟用外部中斷。
(2)編碼器可用中斷服務(wù)
編碼器完成一幀數(shù)據(jù)編碼即可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷,然后由MircoBlaze處理器控制編碼器向環(huán)形緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù),并在環(huán)形緩沖區(qū)耗盡時(shí)等待一定時(shí)間;
(3)碼流可輸出中斷服務(wù)
當(dāng)兩級(jí)FIFO先一級(jí)所準(zhǔn)備輸出的碼流滿時(shí),可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷,然后在MircoBlaze處理器控制下,將該碼流交付給USB或以太網(wǎng)輸出接口API并由底層驅(qū)動(dòng)輸出,最后再清空FIFO先一級(jí)。
圖5所示是其應(yīng)用程序流程圖。
4 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)介紹了基于Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)通用視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴于專用的設(shè)計(jì)軟件和IP模塊。由于采用了SOPC技術(shù),該系統(tǒng)可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí),而多層次IP模塊的高度復(fù)用又使得本系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短,風(fēng)險(xiǎn)投資小和設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)。
評(píng)論