基于FPGA和DSP的CCD圖像采集系統(tǒng)硬件設計

　　當CCD產(chǎn)生的視頻信號為模擬信號對，對其直接傳輸、存儲和處理比較困難，須要將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號，以便對其進行處理，并進行高效可靠的傳輸和存儲。當前，數(shù)字圖像采集和處理系統(tǒng)不僅要面臨高速寬帶、高精度的挑戰(zhàn)，而且對采樣時機、采樣點數(shù)、采樣速率的可控性也提出了較高的要求，本文提出了一種實時圖像采集和處理系統(tǒng)的設計方法，該系統(tǒng)以TMS320DM642[1-2]為核心，結(jié)合視頻解碼芯片SAA7115H和OSD FPGA構(gòu)成實時圖像采集和處理系統(tǒng)電路。

　　1 系統(tǒng)總體設計

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)以TMS320DM642為核心，采用模塊化設計思想，整個系統(tǒng)主要由視頻解碼芯片(A/D轉(zhuǎn)換芯片)、可編程邏輯門陣列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外圍電路組成。外圍電路主要包括CCD攝像機、SDRAM圖像存儲器、FLASH程序存儲器及TMS320DM642外圍電路(復位、電源連接等)。圖1為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

　　1.2 系統(tǒng)工作原理

　　由CCD攝像頭攝入的PAL制圖像傳送到SAA7115解碼器，SAA7115解碼器將信號轉(zhuǎn)變成并行的BT.656圖像碼流送至TMS320DM642視頻口VP0，TMS320DM642將其再解碼，得到Y(jié)UV(4:2:2)格式的圖像，并通過EDMA傳輸?shù)絼討B(tài)存貯器（SDRAM）中存儲，圖像大小為每場720×288（寬×高），每幀720×576（寬×高）。CPU通過訪問SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)，依照相應的程序進行相應的圖像處理。

　　在實時圖像處理系統(tǒng)中，為了不影響數(shù)據(jù)處理速度，需要在恒速的CCD圖像采集與變速的TMS320DM642圖像處理之間加入緩沖電路，緩沖采用TMS320DM642視頻口的片內(nèi)FIFO和片外SDRAM的乒乓緩存結(jié)構(gòu)。“乒乓操作”是一個經(jīng)常應用于數(shù)據(jù)流控制的處理方法，如圖2所示，其處理流程為：輸入數(shù)據(jù)流通過指針等時地將數(shù)據(jù)流分配到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)1、2和3中，在第1幀的時間，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到1；第2幀將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到2，與此同時，將1的數(shù)據(jù)作運算處理。在下個緩沖周期，再次切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到3，與此同時，將2的數(shù)據(jù)運算處理。如此循環(huán)，A、B、C、D、E為其5種狀態(tài)。

　　乒乓操作的最大特點是按節(jié)拍、相互配合地切換，將經(jīng)過緩沖的數(shù)據(jù)流不停頓地進行運算及處理。把乒乓操作模塊當作一個整體，此模塊兩端的輸入數(shù)據(jù)流與輸出數(shù)據(jù)流均是連續(xù)不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合進行流水線式處理，完成數(shù)據(jù)的無縫緩沖與處理。

　　2 功能模塊設計

　　2.1 視頻采集模塊

　　本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7115視頻解碼芯片將CCD模擬視頻進行數(shù)字化，然后傳給TMS320DM642的視頻端口進行處理，同時分離水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信號。

　　視頻解碼芯片采用SAA7115，省去時鐘同步電路的設計，簡化接口電路，提高系統(tǒng)的可靠性。由攝像機采集到的模擬信號經(jīng)過視頻端子進入到解碼器SAA7115的模擬端Al11，經(jīng)模擬處理和A/D轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生數(shù)字色度信號和亮度信號，分別對其進行處理。亮度信號處理的結(jié)果一路送到信號處理器，進行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號，經(jīng)格式化后采用4:2:2 YUV格式從IPD[7-0]輸出直接連接到TMS320DM642視頻口的VP0[9-2]管腳；另一路經(jīng)過同步分離器，由數(shù)字PLL產(chǎn)生相應的同步信號與TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相連，同時PLL驅(qū)動時鐘發(fā)生器，產(chǎn)生27 MHz的時鐘同步信號LLC，輸出到TMS320DM642的VP0CLK0管腳。解碼器SAA7115與TMS320DM642的視頻接口的原理如圖3所示。

　　所有這些功能均在I2C總線控制下完成。SCL作為I2C接口的時鐘線與TMS320DM642的SCL相連，SDA作為I2C接口的數(shù)據(jù)地址線與TMS320DM642的SDA相連。通過SCL和SDA的時序配合，可由TMS320DM642向SAA7115的寄存器寫入數(shù)據(jù)或讀出數(shù)據(jù)。

　　2.2 TMS320DM642圖像處理模塊

　　本系統(tǒng)中視頻口VP0作為輸入，與視頻解碼器SAA7115的IPD相連。從解碼器SAA7115出來的BT.656數(shù)據(jù)流進入VP0口后，經(jīng)由BT.656捕獲通道，進入到視頻口緩沖區(qū)中，每個視頻口都有1個5 120 B的視頻輸入/輸出緩沖區(qū)，視頻口輸人的數(shù)據(jù)分別進入捕獲FIFO A和FIFO B，其中Y緩存2 560 B，Cb和Cr緩存分別為1 280 B。根據(jù)輸出的同步脈沖產(chǎn)生幀存儲器的地址信號、讀寫和片選等控制信號，將圖像逐幀存入SDRAM存儲器中，通過中斷通知TMS320DM642讀取。TMS320DM642通過EDMA事件實現(xiàn)視頻口緩沖區(qū)和片內(nèi)L2存儲器之間的數(shù)據(jù)傳遞。用戶編程設定1個緩沖區(qū)閾值用以產(chǎn)生EDMA事件。BT.656格式的數(shù)據(jù)流經(jīng)由捕獲通道分別進入各自的緩沖區(qū)，并打包成64 B的雙字。當雙字增至緩沖區(qū)閾值時觸發(fā)EDMA事件，存儲器映射寄存器即作為EDMA數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑吹刂?。為保證每一場的數(shù)據(jù)能夠全部傳完且沒有遺漏，每次EDMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小應等于閾值。由于TMS320DM642的強大處理能力，用戶算法作為任務線程嵌入TMS320DM642軟件系統(tǒng)中。

　　2.3 外圍存儲模塊

　　本系統(tǒng)的TMS320DM642在視頻圖像的處理時，處理過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而其內(nèi)部最多僅有256 KB的RAM，所以需要擴展大容量的外部存儲器才能滿足數(shù)據(jù)處理的需要。本系統(tǒng)選用2片SDRAM用于存儲程序、數(shù)據(jù)和緩存數(shù)字視頻信息，選用1片F(xiàn)LASH存儲器用于固化程序和一些掉電后仍需保存的用戶數(shù)據(jù)。SDRAM芯片和FLASH芯片均通過TMS320DM642的EMIF口實現(xiàn)無縫連接[3]。TMS320DM642的EMIF有4個獨立的可設定地址的區(qū)域，稱為芯片使能空間（CE0～CE3），當FLASH和FPGA映射到CE1時，SDRAM占據(jù)CE0，CE3的一部分被配置給OSD功能的同步操作和擴展的FPGA中的其他同步寄存器操作。本系統(tǒng)合并形成了一個64 bit長的外部存儲器端口，將地址空間分割成了4個芯片使能區(qū)，允許對地址空間進行8 bit、16 bit、32 bit和64 bit的同步或不同步的存取，并且使用了芯片使能區(qū)CE0、CE1和CE3。CE0被發(fā)送給64 bit的SDRAM總線，CE1被8 bit的FLASH和FPGA功能使用，CE3被設置成同步功能。

　　2.3.1 SDRAM存儲器

　　本系統(tǒng)采用MT48LC4M32B2[4]來構(gòu)成SDRAM存儲器，大小為1 M×32 bit×4 banks， 在CE0空間連接了64 bit的SDRAM總線?？偩€由外部PLL驅(qū)動設備控制，在133MHz的最佳運行狀態(tài)下運行，SDRAM的刷新由TMS320DM642自動控制。TMS320DM642的EMIF與SDRAM接口圖如圖4所示。

　　2.3.2 FLASH存儲器

　　本系統(tǒng)擴展4 M的FLASH，映射在CE1空間的低位。FLASH寄存器選用4 M×8 bit的AM29LV033C。FLASH寄存器主要用來導入裝載和存儲FPGA的配置信息。CE1空間被配置成8 bit，F(xiàn)LASH寄存器也是8bit。由于CE1的可利用地址空間小于FLASH的空間，所以利用FPGA可產(chǎn)生3個擴展頁。這些擴展的線形地址通過FPGA的FLASH基礎寄存器進行定義，復位后的默認值是000。TMS320DM642的EMIF和FLASH的接口圖如圖5所示。

　　2.4 OSD FPGA模塊

　　FPGA負責完成所有芯片的接口和控制，其中包括SAA7115與I2C總線的接口、復位控制信號以及與TMS320DM642的EMIF接口和外設接口等，其體系結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。本系統(tǒng)的OSD FPGA功能模塊的芯片型號為Xilinx XC2S300E-6PQ208C[5]，主要用來完成以下工作：

　　(1)通過寄存器使用TMS320DM642外部存儲器接口(EMIF);

　　(2)通過可編譯寄存器使用TMS320DM642的EMIF接口控制GPIO；

　　(3)產(chǎn)生EMIF緩沖控制信號（DIR和OE）；

　　(4)提供對于PLL1708的連續(xù)控制接口；

　　(5)為FLASH產(chǎn)生3頁bit空間；

　　(6)使用SAA7115的同步信號。

　　2.5 電源和復位模塊

　　該系統(tǒng)通過單+5 V供電，在板子內(nèi)部轉(zhuǎn)換為+1.4 V和+3.3 V，為各器件供電。+3.3 V為TMS320DM642的I/O口、解碼器及其他芯片的電源，+1.4 V為TMS320DM642 CPU內(nèi)核電源。TMS320DM642內(nèi)核電壓+1.4 V，外設I/O電壓+3.3 V，降低內(nèi)核電壓主要是降低功耗，外部接口引腳采用+3.3 V電壓，便于直接與外部器件接口。由于是2種不同的電壓，所以要考慮供電系統(tǒng)的配合問題。在加電過程中，保證CPU內(nèi)核電源先加電，最晚也應當與外設I/O電源同時加電。關(guān)閉電源時，先關(guān)閉I/O電源，再關(guān)閉內(nèi)核電源。如果內(nèi)核加電晚于I/O，則會發(fā)生內(nèi)部總線競爭，從而產(chǎn)生不可預定的結(jié)果。因此，選用電源芯片TPS54310[6]獲得上述2種電壓，并利用其電源輸出有效引腳PG和允許電壓輸人引腳EN保證TMS320DM642的內(nèi)核和I/O上電掉電順序。

　　為防止系統(tǒng)程序進入死循環(huán)或因電壓波動而產(chǎn)生異常，本系統(tǒng)用看門狗芯片來控制系統(tǒng)復位。這里采用TI的TPS3823-33DBVT[7]看門狗芯片，它由+3.3 V電源供電，能對電源電壓進行監(jiān)控，當電源電壓降至2.93 V以下時觸發(fā)復位信號，使整個系統(tǒng)進入復位狀態(tài)，直至電源電壓復原，復位信號的最小長度為200 ms。同時，還含有一看門狗計時器，用來監(jiān)測來自處理器芯片的跳變沿觸發(fā)信號，如果1.6 s內(nèi)未接收到觸發(fā)信號，它同樣讓系統(tǒng)進入復位狀態(tài)并持續(xù)200 ms，這樣可在系統(tǒng)程序進入死循環(huán)后重新啟動系統(tǒng)。TMS320DM642電源與復位電路的連接圖如圖7所示。

　　3 抗干擾設計

　　由于高頻脈沖噪聲對本系統(tǒng)危害最大，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，可采取以下措施：

　　(1)優(yōu)化PCB印制板的設計。在本系統(tǒng)中應當：

　?、俨捎枚潭鴮挼膶Ь€來抑制干擾。時鐘引線、總線驅(qū)動器的信號線常有大的瞬變電流，其印制導線要盡可能短。對于分立元件電路，印制導線寬度在1.5 mm左右即可滿足要求；對于集成電路，印制導線寬度在0.5 mm～1.0 mm之間選擇；

　?、趥鬏敹喾N電平信號時，盡量把前、后沿時間相近的電平信號劃為一組傳輸；在雙面印制板的背面布置較大面積的地線區(qū)域，可對部件產(chǎn)生的高頻脈沖噪聲起到吸收和屏蔽的作用；分開模擬和數(shù)字電源層；

　　(2)增加總線的抗干擾能力。采用三態(tài)門形式的總線結(jié)構(gòu)，并給總線接上拉電阻，使總線在瞬間處于穩(wěn)定的高電平而避免總線出現(xiàn)懸空狀態(tài)。

　　本文面向?qū)崟r圖像采集和處理，采用模塊化設計思想，以TMS320DM642、SAA7115、OSD FPGA等實現(xiàn)了視頻圖像采集和處理系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)靈活、可靠性高、實時性強的特點，通過驗證，滿足設計的應用要求，可為今后視頻圖像采集和處理的進一步研發(fā)提供參考。