基于FPGA的全高清视频采集显示系统设计方案
0 引言
随着视频显示技术的发展，视频信号从之前的标清发展到高清，再发展到全高清，其分辨越来越高，数据量也成倍增加，这就推进了显示接口技术的高速发展，显示接口技术经过了一个从vwin 到数字、从并行到串行、低速到高速的发展过程[1-3]。HDMI接口是最新的高清晰度多媒体接口，与DVI接口相比，其尺寸更小，带宽更大，传输距离更远，支持的分辨率更高，不仅能够传输视频信号，还能传输音频信号，且具备版权保护功能[4]。HDMI接口已成为液晶显示器、平板带脑、笔记本电脑等设备的标准接口之一，得到了广泛应用[5-6]。本系统中不仅实现了标准HDMI接口电路及其控制，并且还提供全高清视频数据源，选用500万像素级别CMOS摄像头OV5640，输出视频信号分辨率可达2K级别，支持多种数据格式输出。为了解决由于视频数据缓存速率和容量不足导致的拖影问题，该系统选用容量为4 Gbit的DDR3 SDRAM作为换缓存介质，通过Xilinx公司的MIG IP和对其进行控制，再结合乒乓操作，能有效解决高数大容量数据的缓存问题，使显示质量更高。本系统实现了全高清视频信号的采集及高质量显示，其能应用到多种领域，包括军用监控领域、多媒体领域、医用领域等。
1 方案设计
此视频采集显示系统原理框图如图1所示，该系统主要包括视频采集模块、FPGA主控模块、数据缓存模块和HDMI接口电路。视频采集模块提供全高清视频数据源，在其开始采集之前需要FPGA主控模块通过SCCB（Serial Camera Control Bus）总线将摄像头配置信息发送到摄像头中的寄存器；FPGA主控模块是此系统的控制核心，其控制着摄像头、DDR3-SDRAM、HDMI接口芯片以及视频数据流；数据缓存模块以一块4 Gbit容量的DDR3-SDRAM作为缓存介质，能有效解决高速大容量数据的缓存问题；HDMI接口电路主要包含一块HDMI接口芯片，其作用是实现视频数据的并串转换；最后，串行视频数据通过HDMI传输线传输到支持HDMI接口的显示器上，就能实时显示全高清视频图像。
2.1 视频采集模块
视频采集模块选用OmniVision公司OV5640摄像头，其为500万像素级别CMOS图像传感器，支持分辨率可达2K级别，能输出多种图像格式数据，且支持多种自适应调节功能。此CMOS图像传感器支持DVP和MIPI两种数据接口，本系统中选择DVP接口。在主控模块获取数据之前需要通过SCCB总线将传感器寄存器信息配置给传感器[7-8]。本系统中CMOS图像传感器图像数据输出格式配置为RGB24，视频分辨率配置为1 920×1 080(全高清)，视频帧率配置为30 f/s，此模块还包括数字和模拟供电电路。
2.2 FPGA主控模块
系统控制核心选用的芯片是Xilinx公司Spartan6系列芯片XC6SLX45，第六代Spartan系列产品Spartan6 FPGA基于公认的低功耗45 nm、9-金属铜层、双栅极氧化层工艺技术，提供了高级功耗管理技术、150 000个逻辑单元、硬核DRAM存储器以及多种IP等，是Xlinx公司应用最为广泛、技术非常成熟的一个FPGA系列[9-11]。FPGA主控模块主要完成摄像头的配置及视频数据获取、DDR3-SDRAM数据的存取以及HDMI接口芯片的配置以及视频数据发送，其硬件电路还包括供电电路、复位电路、晶振电路、下载电路和配置SPI Flash电路。
2.3 数据缓存模块
为了解决高速大容量视频数据的缓存问题，此系统选用Micron公司4 Gbit容量DDR3-SDRAM存储芯片MT41J256M16HA-125作为缓存介质，其与FPAG的硬件连接示意图如图2所示。A0～A14为地址总线，B0～B3为Bank地址，FPGA通过控制地址总线和Bank地址就能控制数据在DDR3-SDRAM中的存储位置；D0～D15为数据总线，与FPGA并行连接；CLK-N和CLK-P为差分时钟输入端口，本系统中设定时钟频率为312.5 MHz；FPGA通过列地址选择信号(CAS)、行地址选择信号(RAS)、写使能信号(WE)对DDR3-SDRAM进行读写控制，通过控制ODT使能片内电阻优化性能来防止数据线中断反射[12]；DQS为DDR3-SDRAM与控制器之间的同步信号，其为双向信号，当写入数据时，其由控制器发出，当读取数据时，其由存储器发出；DM为数据屏蔽信号[13]。由于Spartan6系列FPAG只有Bank1和Bank3有MCB硬核，在本系统中选择FPGA中Bank3与DDR3-SDRAM连接，端口电压标准为1.5 V，且在FPAG UCF中，需要设定IO标准为SSTL15_II。
2.4 HDMI接口模块
本系统中选用SiI9134作为HDMI输出接口芯片，其和FPAG的硬件连接关系如图3所示。在芯片工作之前，需要通过I2C(SCL、SDA)总线将寄存器信息配置到芯片里，配置过程中频率为100 kHz，数据输入格式配置为RGB24，视频输出分辨率配置为1 920×1 080；CLK为视频数据同步时钟，此芯片1080p视频格式的时钟为148.5 MHz，DE为数据有效信号，高电平有效；HS、VS分别为行同步信号和场同步信号；D[23:0]为RGB24数据输入总线，从上到下依次为R、G、B分量数据总线，为了支持其他视频数据格式，SiI9134的总线宽度为36 bit，此系统中只使用24 bit，其余的数据总线引脚接地；SiI9134支持多种数字音频信号输入接口，包括S/PDIF、I2S等，本系统中不使用音频接口。RGB24格式视频数据经SiI9134编码后，转换成串行数据后通过连接器和传输线将数据发送给显示器，最终显示出全高清视频。
3 控制逻辑设计
本系统控制逻辑设计中，包括OV5640配置及视频数据获取逻辑、DDR3-SDRAM数据存取控制逻辑、SiI9134配置及视频数据发送逻辑。系统通过DVP口接收RGB24格式的视频数据，然后将视频数据分区域存入DDR3-SDRAM中，再将视频数据从中读出发送给HDMI接口芯片供显示屏显示。系统工作流程如图4所示，上电后系统先进行复位操作，然后进入初始化状态，系统给OV5640和SiI9134发送配置信息，DDR3-SDRAM也开始进入初始化和校验过程。所有初始化工作完成后，系统判断OV5640是否配置结束，如果配置结束，系统将获取视频数据，并将其存入DDR3-SDRAM中。当缓存区有数据且SiI9134配置结束后，系统将缓存区的视频数据读出发送给SiI9134。
3.1 视频采集控制部分
OV5640对上电的时序有一定的要求，所以满足此上电时序的模块是必不可少的，完成初始化后，先确定OV5640的工作模式，通过SCCB总线就能完成，此系统中配置了303个寄存器；待OV5640配置完成和DDR3-SDRAM初始化和校准完成后，就可获取视频数据；控制OV5640需要先提供一个系统时钟XVCLK，为192 MHz，然后识别像素输出时钟（PCLK）、场同步信号（VSYNC）、行同步信号（HREF）来获取数据。场同步信号下降沿表示一帧数据的开始，行同步信号为高电平时为有效数据输出，在场同步信号低电平之间，行同步信号会出现1 080次高电平，代表一帧数据有1 080行数据；在行同步信号处于高电平期间会持续1 920个像素输出时钟，代表每一行有1 920个像素点。
3.2 DDR3-SDRAM缓存控制部分
DDR3-SDRAM数据的存取使用了Spartan6系列FPGA提供的MIG IP核，同时也需要MCB硬核与外部的SDRAM芯片进行数据交换。在Xilinx编译环境ISE中生成SDRAM控制器后，就可运用MIG IP核用户接口进行数据存取，本系统中MIG IP核配置成两个位宽为64 bit的双向端口，一个端口用于写数据，一个端口用于读数据。其工作状态示意图如图5所示，在MIG IP核的前端和后端分别加入一个写数据FIFO和读数据FIFO，对于调用此缓存模块的逻辑来说，就相当于一个大容量的FIFO。在MIG IP核内部，采用乒乓操作的方式来提高缓存效率，在缓存的过程中，将4 Gbit容量的存储区域分为N个区域，每个区域的容量为一帧视频数据的容量，在写入过程中，先将数据写入第1区域，第1区域写满后开始写下一区域（为第2区域，写下一区域时确保该区域数据为空），此时就可以读取第1区域的数据，第1区域读完再读下一区域（为第2区域，在读下一区域时确保该区域数据已满）数据，依此顺序循环读写，完成乒乓操作。这种缓存方式可极大提高视频数据缓存效率，有效解决高速大容量数据的缓存问题，一帧视频数据连续且不会出现数据交叉的情况（地址不会交叉），避免了视频显示的拖影现象。
3.3 HDMI接口控制部分
在HDMI工作之前，需要通过I2C总线给寄存器配置数据，数据格式配置为RGB24，分辨率为1 920×1 080，视频帧率为30 f/s。配置完成后，缓存区一数据满时，就可读取视频数据按照特定时序发送给SiI9134，SiI9134数据发送时序如图6所示，行同步信号的下降沿代表一帧视频数据的开始，上升沿代表一帧数据的结束，当一行数据发送完后开始发送下一行数据，当一帧数据最后一行发送完成后再发送下一帧画面的第一行数据。以此重复循环发送数据，DE为数据有效信号，高电平有效。
4 测试结果
硬件电路电气性能测试完成后，开始进行整体性能的测试，在整体性能测试之前，还需要对FPGA程序进行功能仿真和时序仿真，再对各个功能模块分别进行测试，确保代码准确无误。
4.1 DDR3-SDRAM测试
利用Xilinx公司提供的ChipScope Pro工具对DDR3-SDRAM代码进行测试，测试过程中，由系统内部产生递增数写入到写数据FIFO中，然后从读数据FIFO中读取数据，将写入的数据和读出的数据通过ChipScope Pro工具抓取，再对抓取结果绘出波形并进行比对，测试结果如图7所示。从测试结果来看，读写速度快且没有出现数据乱码情况，符合系统要求。
4.2 HDMI接口测试
HDMI接口模块测试结果如图8所示，测试过程中，视频数据源由系统内部产生，包括三基色、棋盘格、彩色条等数据，最后将串行数据发送到支持1080p分辨率的显示器上。从测试结果来看，显示效果符合要求。
4.3 系统整体测试
图9所示为系统整体测试结果，测试过程中，视频数据源为摄像头采集的视频数据，数据经过DDR3-SDRAM缓存，再发送到HDMI接口芯片，然后通过HDMI连接器和传输线将差分数据传输给显示器。从测试结果来看，如图9(a)所示，视频显示清晰完整；当摄像头移动时，如图9(b)所示，图像显示无拖影现象，证明通过DDR3-SDRAM高效缓存和乒乓操作结合的方式，能够有效解决高速大容量数据的缓存问题。
5 结论
为了满足人们对视频显示质量的需求，本系统设计了一种全高清视频采集显示系统，系统以OminiVision公司的500万像素级别CMOS图像传感器OV5640为前端采集摄像头，以Xilinx公司Spartan6系列FPGA作为主控芯片，以4 Gbit容量DDR3-SDRAM作为缓存芯片，再结合MCB硬核、MIG IP核以及乒乓操作，实现视频数据的高效缓存；同时以Silion Image公司的SiI9134为HDMI芯片，能有效支持全高清视频。系统能够稳定采集显示全高清视频，显示质量高且无拖影现象，该系统可应用于军用监控系统、民用多媒体系统以及医学等领域。
参考文献
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