用FPGA實現(xiàn)高速大圖像采集系統(tǒng)

中國船級社規(guī)定從2004年開始，在國內(nèi)和國際航行的船舶中都必須安裝船載航行數(shù)據(jù)記錄儀，其中船載雷達圖像記錄儀是很重要的一部分，船載雷達圖像按vga圖像標準輸出，其分辨率在640×480－1280×1024之間，刷新率在60－85hz之間。目前常見的圖像采集系統(tǒng)多是針對復合視頻信號的采集，或者是針對ccd圖像信號的采集。這些圖像采集系統(tǒng)并不能滿足雷達圖像采集的要求，即使少數(shù)針對高分辨率高刷新率圖像的采集系統(tǒng)也是以計算機板卡的形式出現(xiàn)，運行時需要一臺計算機。

目前一些速度高達1gsps的基于vme總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過4路，每路采集速度高達250mhz的系統(tǒng)實現(xiàn)1gsps速度的數(shù)據(jù)采集。但由于該類系統(tǒng)中沒有大容量的數(shù)據(jù)緩存，因此并不能實現(xiàn)高速長時間的數(shù)據(jù)采集。另外一些系統(tǒng)采用一種基于fpga，使用多sdram作為數(shù)據(jù)緩存的采集系統(tǒng)。該類系統(tǒng)解決了長時間高速采集的問題，可以對頻率為100mhz，16bit位寬的數(shù)據(jù)進行采集。但是由于它采用了多個fifo來降低sdram的工作頻率，使得該類系統(tǒng)應用在需要嚴格的數(shù)據(jù)同步的高速圖像采集系統(tǒng)中會出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)難以同步的問題，還有一種pc板卡形式的高分辨率圖像采集卡，該系統(tǒng)直接對圖像進行壓縮后存儲，并通過pci接口提供給pc，這種形式既不適合船舶上狹小的空間，也不能滿足船舶失事時對數(shù)據(jù)的保護要求。

本文提出一種高分辨率高刷新率圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用于嵌入式系統(tǒng)中，不僅體積小，還解決了數(shù)據(jù)保護的問題，可用于船載雷達圖像記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持對多達4路8bit位寬最高采樣率達120mhz的數(shù)據(jù)通道，或者一路vga圖像信號，可對采集數(shù)據(jù)進行長時間采集存儲。具體的連續(xù)采集時間根據(jù)系統(tǒng)所采用的sdram容量大小有所變化。該系統(tǒng)還為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了asram接口，使得用于緩存數(shù)據(jù)的sdram也可作為后續(xù)處理cpu的系統(tǒng)內(nèi)存。這樣既可以提高數(shù)據(jù)的處理速度，方便后續(xù)針對雷達圖像的壓縮或者識別處理，也節(jié)省了資源。

采集系統(tǒng)設計

系統(tǒng)分析及芯片選擇

首先確定系統(tǒng)要求。目前標準規(guī)定的vga分辨率從640×480－1280×1024之間可調(diào)，刷新率為60－80hz可調(diào)。系統(tǒng)應能接受最高情況為分辨率1280×1024，刷新率60hz。在這種情況下，圖像像素點頻率為：1280×1024×60＝75mhz。

vga是用于給顯示器等模擬設備提供圖像信號的模擬接口。它有rgb3個模擬信號分量以及行場同步信號，其中行場同步信號是符合ttl電平的脈沖信號。由于模擬的vga信號中包含有場同步時間和行同步時間及消隱時間，因此當圖像為1280×1024＠60hz的情況下，ad轉(zhuǎn)換后像素點頻率要比實際算出來的75mhz還高。這么高的采樣率對于ad提出了很高的要求。因此采用analog device公司的芯片。ad芯片具有3路采樣精度為8bit的通道，最高采樣率為140msps，具有300m的模擬帶寬，并且專門對計算機及工作站圖像接口進行了優(yōu)化，最高可滿足對分辨率為1280×1024，刷新率為75hz的視頻進行采樣。

由于ad的采樣率比較高，相應的輸出數(shù)據(jù)率很也高。在系統(tǒng)要求的最高情況下，象素點頻率為108mhz，相應的數(shù)據(jù)率為324mbit/s（rgb3個分量，每個分量8bit）。同時，由于采集的是圖像數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)對行同步要求比較高，因為如果在某一行的圖像數(shù)據(jù)中丟失了某一個或多個點的數(shù)據(jù)，整個圖像就會產(chǎn)生傾斜，如圖1所示。圖a為正確采集后得圖像，沒有發(fā)生傾斜；圖b為行采集數(shù)據(jù)小于顯示的水平分辨率；圖c為行采集數(shù)據(jù)大于顯示的水平分辨率。因此需要對每行的數(shù)據(jù)進行突發(fā)存儲，保證數(shù)據(jù)不丟失。突發(fā)的長度為圖像的水平分辨率。

從上面的分析可知，ad后數(shù)據(jù)的及時存儲要求很高，在極端條件下系統(tǒng)必須以110mhz左右的頻率進行突發(fā)長度為1280×3byte的存儲。傳統(tǒng)的通過dsp把數(shù)據(jù)存儲到sdram的方法不能滿足這么高的速度和這么長的突發(fā)長度。因此我們采用fpga直接控制sdram存儲的方式進行?？紤]到圖像數(shù)據(jù)的頻率和大小，我們采用工作在133mhz的sdram。

由于原始的圖像數(shù)據(jù)量很大，需要占用比較大的存儲空間，因此對采集到的圖像數(shù)據(jù)還要進行后續(xù)處理。所以fpga除了接收ad轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和控制sdram之外，還需要為圖像的后續(xù)處理提供接口。

綜上所述fpga需要實現(xiàn)如下功能：同步接收ad采集的數(shù)據(jù)；讀寫sdram；提供后續(xù)圖像處理接口；提供控制接口。

設計中采用altera公司cyclone系列的fpga ep1c6。ep1c6具有2個鎖相環(huán)，包含5980個邏輯單元，相當于12萬門的規(guī)模，同時還包含了最高頻率200mhz，92160bit的內(nèi)部ram。該芯片的頻率和引腳io等資源都能很好的滿足本系統(tǒng)的要求。

總體設計

采集系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

采集系統(tǒng)由ad、fpga、sdram和主cpu組成。整個系統(tǒng)由cpu控制。進行采集時，首先cpu根據(jù)行場同步信號判斷圖像的分辨率和刷新率，并對ad和fpga進行相應的設置。其次，cpu使能fpga進行采集。待采集一幀結束后，cpu即可對圖像數(shù)據(jù)進行處理。

ad模塊能夠采集多種vga圖像格式，但卻不能自動檢測圖像格式，必須通過它提供的iic接口進行設置，我們在主cpu中實現(xiàn)對圖像格式的自動檢測，并對ad模塊進行設置，另外，不同格式的vga圖像中場同步信號的有效脈沖電平?jīng)]有統(tǒng)一，ad模塊可以對輸入的場同步信號極性進行自動檢測并表示在內(nèi)部寄存器中，通過讀取該寄存器可以判斷輸入vga信號場同步的極性。ad模塊輸出的場同步信號可以實現(xiàn)對輸入場同步信號的反相。fpga內(nèi)部的同步邏輯只支持一種有效電平的場同步信號，因此在采集前需要通過讀取ad內(nèi)部的寄存器判斷當前輸入同步信號的極性，以確定是否需要設置ad芯片對場同步信號進行反相處理。

為了方便主cpu對fpga的控制，fpga提供了iic接口。主cpu可以通過與ad模塊一樣的iic接口控制fpga。設置采集圖像的大小，圖像存儲起始地址，消隱時間長短等信息，從而保證采集圖像大小精確、完整，同時為了方便主cpu對圖像進行后續(xù)的處理，fpga把存儲圖像的sdram轉(zhuǎn)換成asram接口提供給cpu處理，從而把存儲圖像的空間直接映射到了cpu的尋址空間。cpu可以通過dma快速的對圖像數(shù)據(jù)進行讀取和處理，提高系統(tǒng)效率。

fpga內(nèi)部設計

fpga內(nèi)部模塊如圖3所示。

fpga內(nèi)部由主控制、sdram控制器、ad接口、fifo、asram接口、iic等模塊組成。主控制模塊負責接收cpu的控制信號和協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作，sdram控制模塊實現(xiàn)對sdram的操作邏輯。ad接口模塊接收ad模塊輸出的數(shù)據(jù)和同步信號并保證圖像數(shù)據(jù)的行場同步，asram接口模塊轉(zhuǎn)換cpu對asram的操作為對sdram的操作指令，iic邏輯模塊接收cpu對fpga采集系統(tǒng)的各種參數(shù)設置和控制。

系統(tǒng)fpga主要時鐘頻率有sdram工作頻率133mhz，由ep1c6自帶的pll倍頻產(chǎn)生；ad模塊輸出的像素時鐘，由ad芯片內(nèi)部pll產(chǎn)生，iic模塊中的時鐘，由cpu產(chǎn)生。其中ad芯片輸出的時鐘根據(jù)不同的輸入圖像格式有比較大的變動范圍，從25－108mhz，而sdram的讀寫時鐘固定為133mhz。因此在這兩個不同頻率的時鐘之間必須加fifo來同步，fifo使用quartusii軟件中提供的免費ip核，通過使用fpga內(nèi)部高速ram來實現(xiàn)。

ad模塊負責與ad芯片的接口邏輯。前面已經(jīng)分析了圖像采集中同步的重要性，如果圖像中的某一行數(shù)據(jù)不完整，那么將影響到整個圖像。ad模塊通過ad芯片輸出的行場同步信號來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的同步，以ad芯片輸出點頻作為fifo模塊的寫時鐘，行場同步信號的組合邏輯組成fifo的寫使能。另外，由于模擬的vga接口存在有行、場同步時間和行、場消隱時間，為了保證圖像采集的精度和完整，ad芯片要求把點頻設置為比實際有效點頻大20％－30％，因為在ad轉(zhuǎn)換后的圖像中行幅和場幅往往比實際圖像大，造成圖像有比較大的黑邊。如圖4所示。為了獲得準確的圖像數(shù)據(jù)，ad模塊設置了計數(shù)器可以過濾圖像起始的黑邊。其計數(shù)值可以通過iic接口進行設置。

sdram有多種不同長度的突發(fā)模式。在本設計中由于ad輸出的頻率最高接近110mhz，突發(fā)存儲的長度比較長，為了能保證數(shù)據(jù)能夠及時存儲，工作頻率為133mhz的sdram必須工作在整頁突發(fā)的模式，以達到最高的數(shù)據(jù)吞吐率。

為了提高通用性，本設計中把sdram接口轉(zhuǎn)換成asram接口提供給主cpu，避免了sdram工作頻率和cpu外部時鐘不同時造成的sdram控制權切換的麻煩，提高對各種cpu的兼容性。asram接口邏輯實現(xiàn)對cpu地址到sdram地址的映射及操作時序的轉(zhuǎn)換。主控制模塊產(chǎn)生相應的sdram控制指令，控制sdram讀寫。sdram的操作對于cpu來說是透明的。

該采集系統(tǒng)也可對4路8bit的ad通道進行采集，因為fpga內(nèi)部的ad邏輯模塊提供了32bit的接口，vga采集方式只用了其中24bit。采用4路8bit模式時只需把前端ad部分做一些調(diào)整。

實際應用

在中國船級社對船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的性能要求中，要求船載航行數(shù)據(jù)記錄儀應能連接到欲記錄其圖像的雷達顯示器的視頻緩存輸出，通過專用的雷達緩存輸出接口，數(shù)據(jù)記錄儀需記錄一系列單個和整屏的視頻幀。該要求設計的顯示器的分辨率應在640×350到1280×1024之間，刷新率在60－85hz之間。采用本設計可以完整實現(xiàn)該要求。

圖5所示為完整的雷達圖像記錄系統(tǒng)框圖。

總體上系統(tǒng)由本地端系統(tǒng)和遠程系統(tǒng)兩大部分組成。本地端負責對雷達圖像的采集壓縮和存儲備份。遠程系統(tǒng)保存雷達圖像的副本。本地系統(tǒng)由采集、處理、存儲傳輸3大部分組成。采集部分就是前文所述的以fpga為核心的雷達圖像采集系統(tǒng)。處理部分采用ti公司c6000系列dsp作為系統(tǒng)的cpu。存儲傳輸部分主芯片則采用了samsung公司的soc芯片s3c2410。存儲體則采用了多片大容量的nand flash。

遠程系統(tǒng)與本地系統(tǒng)中的存儲和傳輸部分一樣。它只負責對雷達圖像的存儲。

本地系統(tǒng)和遠程系統(tǒng)通過485或者以太網(wǎng)相互通信。同時，本地系統(tǒng)和遠程系統(tǒng)都提供了usb接口。在計算機上可以通過usb接口讀取設備中存儲的圖像，并對設備參數(shù)進行設置。

本文介紹的高速圖像采集系統(tǒng)完整實現(xiàn)了預期的功能，能夠?qū)ψ罡叻直媛蕿?280×1024刷新率為60hz的雷達圖像進行采集，并通過asram接口把圖像數(shù)據(jù)提供給cpu進行后續(xù)處理。

該采集系統(tǒng)適用于嵌入式系統(tǒng)中，成功應用于船載雷達數(shù)據(jù)記錄儀中，實現(xiàn)對雷達圖像的采集，通過了實際測驗。主要性能如下：采集圖像分辨率從640×350到1280×1024可調(diào)，刷新率從60－85hz可調(diào)，在15s采集一次的情況下可以保存24小時的雷達圖像，并可以通過usb接口在計算機上重現(xiàn)雷達圖像。

此外，本采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對高速突發(fā)長度長的數(shù)據(jù)的采集，并提供了相對通用的控制和存取接口，使得該系統(tǒng)的應用不僅僅局限于雷達圖像的采集。通過修改前端的ad模塊，該系統(tǒng)還能同時對4路位寬為8bit，采樣率最高位120mhz的ad通道進行數(shù)據(jù)采集，使它適用于其他需要高速采集的場合中。具有較強的通用性。