视频图像采集系统的设计研究

中原电子集团有限公司 周绪兵

视频图像采集系统应该完成视频信号从前期采集到存取和PC机之间的通信，以及DSP处理并且在PC机上的视频回放等功能，这也是目前国内外的主流视频图像处理系统所能实现的功能。

一、研究方案的拟订

1.视频图象输入方案拟订

随着现代科技的高速发展，高集成度芯片的开发也越来越成为一种趋势，所以在视频信号的采集中使用视频信号输入处理的集成芯片可以为后继的图像处理提供极大的方便，并大大减少硬件电路的复杂程度，也降低设计的成本。

2.数据的采集与存储方案拟订

采用一片FPGA芯片里面内嵌了niosⅡ软核处理器，能大大提高系统的集成度和节约资源和成本。其基本原理图如图1所示。

图1 图像的采集数据的存取控制框图

3.PCI接口的实现方案选择

使用可编程逻辑器件FPGA可以根据整个系统的实际需要仅选择实现PCI协议的某些子集.同时将另外一些重要的功能集成到同一个器件上，这样就使得所设计的PCI接口具很强的针对性和灵活性。采用FPGA来设计简化的32位PCI接口，同时集成了DMA(Direct Memory Access)块模式传输方式，既实现了PCI总线的高速传输，同时又大量减少CPU处理时间，从两方面保证了视频处理的实时性。

4.系统总体方案

使用图形采集集成芯片SAA7113H完成视频图像输入处理工作，用一个嵌入了niosⅡ软核的FPGA来实现对SAA7113H的初始化和图像帧的存取控制，PCI接口电路实现和PC机之间的高速通信。整体方案框图如图2所示。

图2 系统总体框图

二、SAA7113H在视频采集接口系统中的应用

1.SAA7113H主要功能特点

SAA7l13H是一款功能强大且操作简单的9位视频输入处理芯片，该芯片采用CMOS工艺，通过IIC总线与PC或DSP相连构成应用系统。它内部包含两路模拟处理通道，能实现视频信号源选择、抗混叠滤波、MD转换、自动箝位、自动增益控制(AGC)、时钟发生(CGC)、多制式解码、亮度/对比度/饱和度控制(BCS)和多标准VBI数据解码。

2.视频接口的硬件连接

系统上电后，在DSP接到采集图像的指令后，就设置SAA7113H内部寄存器进入正常工作状态。接口所有的控制逻辑都在一块FPGA内部实现。

视频采集控制器根据SAA7ll3H的同步信号LLC、RTSO、RTS1在内部产生对帧存储器的地址信号A[18：0]、写信号WR以及帧切换信号之一(RDY1)。视频采集控制器产生的地址信号、写信号和SAA7113H的VPO数据接口构成了帧存写通道的入口；DSP送来的地址线、数据线、读信号构成了帧存读通道的出口，两者交替在帧存控制器的控制下分别与帧存A、帧存B连接。帧存控制器根据切换信号RDY1、RDY2与运算的结果进行接口转换：当一帧图像存入帧存储器时，帧切换的两个必要条件之一RDY1置为高电位(逻辑真)，RDY2是DSP处理完一帧图像后置为高电位，当两者同时为真时，切换两通道的连接，开始新的一个图像采集处理过程，同时RDY1、RDY2复位，为下一次切换作准备。FPGA芯片采用的Cyclone系列的EP1C12。其硬件结构框图如图3所示。

图3 接口硬件框图

三、PCI接口电路设计

PCI接口电路就是用来实现本系统和PC机之间实现大量复杂的数据快速传输。然而利用FPGA模块来实现就大大的减少了系统硬件电路的设计，这样为整个设计节省了不少资源也降低了成本。本系统采用FPGA以及其嵌人式核niosⅡ来实现PCI总线接口，在大量的软件设计后，FPGA芯片直接生成几个PCI接口引脚，所以它的关键在于软件的设计。软件编程时主要使用VHDL硬件语言。在PCI总线和本地总线采用DMA传输方式节约了大量CPU资源，这样也大大提高了整个系统的运行速度。

采用Cyclone系列的EP1C12器件完成设计，该器件共有12060个LogicCell。PCI总线上的Slave和Master之间的数据传输方式是以DMA块模式传输的，符合PCI协议2.2。实际电路在WIN2000操作系统下运行，数据传输速率可以达到80Mbps，满足了高速视频处理要求。

芯片由PCI接口模块、DMA控制模块及本地总线接口模块三部分构成。PCI接口模块实现了简化的33MHz工作时钟、32位总线宽度的接口功能，支持内存空间及配置空间的读写；还负责遵循PCI协议2.2与PCI总线通信，实现接口芯片的即插即用。DMA控制模块负责接收计算机的DMA请求，接管总线控制权，以DMA方式将计算机存储器的数据以块方式读出并写到连接本地总线的存储器，DMA结束后发出中断通知计算机，然后释放对总线的控制权。DMA控制模块也以同样的原理实现本地总线到PCI总线的DMA传输因此，本文只需对PCI总线到本地总线的DMA传输实现方法加以阐述。本地总线接口模块负责根据本地总线的协议，同步DMA控制模块对其操作，因为它的功能实现随具体采用的本地总线的不同而变化，故这里不作详细说明。

四、niosⅡ嵌入式核设计

嵌入式系统(Embedded Systems)是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁(可编程，可重构)的专用计算机系统。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系统自其诞生以来已经经历了几十年的风风雨雨。大致回顾一下嵌入式系统的历史。1987年到1997年的十年是ASIC风行的十年，而后的十年，也就是1997年到2007年是现场可编程器件的大好时光，制造标准化但应用定制化是这个阶段的明显特征，而2007年后，用户可重构和可自动配置的SOC和SIP将成为下一个嵌入式系统核心技术发展阶段的主流。

五、小结

本系统硬件电路设计简单，易于制作和测试，把大量的硬件电路都集成到了一片FPGA芯片上来实现，大大降低了系统的成本。由于运用了嵌入式的FPGA设计，系统具有设计灵活，数据传输速率高等优点，也较为合理解决了本系统中软硬件电路数据交换的瓶颈问题。在基于FPGA的PCI接口电路的设计很好的解决了视频采集系统和PC机之间的高速通信问题。这种设计不但可以运用在视频如图象采集系统，还可以大量的运用在数据采集的其他领域。

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