基于FPGA的高性能視頻信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹了一種基于FPGA的高性能視頻信號(hào)采集與顯示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用高性能的A/D采集電路，通過高速的FPGA控制，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過系統(tǒng)中的PCI接口傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)以供顯示、監(jiān)控等功能的實(shí)現(xiàn)。本模塊已經(jīng)投入運(yùn)行，性能穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞： 視頻；FPGA；高速A/D；PCI

近年來，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)的發(fā)展普及，興起了數(shù)字化視頻處理的浪潮。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，利用高性能處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)采集與顯示系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí)[1]。數(shù)字視頻信號(hào)采集與處理系統(tǒng)符合信息產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展趨勢，蘊(yùn)含著巨大的商機(jī)和經(jīng)濟(jì)效益。
由于FPGA本身功能強(qiáng)大，使模塊具備良好的可擴(kuò)展性，可以在不修改硬件設(shè)計(jì)的情況下通過修改FPGA邏輯，提供更加豐富的功能[2]。
本文采用Xilinx公司的FPGA與一些外圍器件實(shí)現(xiàn)一種數(shù)字視頻信號(hào)采集模塊。介紹了FPGA邏輯的實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的過程以及模塊的調(diào)試記錄與經(jīng)驗(yàn)。
1 設(shè)計(jì)原理
系統(tǒng)主要由ADC模塊、時(shí)鐘電路模塊、存儲(chǔ)模塊、接口模塊以及可編程邏輯控制模塊組成, 系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)由PMC連接器供電，完成64 bit、66 MHz或者32 bit、33 MHz PCI數(shù)據(jù)通信；系統(tǒng)由兩路A/D采集器、時(shí)鐘電路、SDRAM存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器和PMC接口電路實(shí)現(xiàn)。FPGA是整個(gè)模塊的核心，所有信號(hào)圍繞FPGA輸入輸出。來自系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)和手動(dòng)復(fù)位一起作為FPGA的復(fù)位源。電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換以后，提供給FPGA使用。FPGA時(shí)鐘信號(hào)本板產(chǎn)生。模塊上設(shè)置了JTAG接口和E2PROM接口。PCI接口采用PMC規(guī)范接口。
2 實(shí)現(xiàn)方法
2.1 器件選型
設(shè)計(jì)通信接口模塊時(shí)，為了提高設(shè)計(jì)的集成度以及靈活性，采用FPGA來實(shí)現(xiàn)。FPGA實(shí)現(xiàn)功能包括：PMC接口、中斷以及控制寄存器、2路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、外部存儲(chǔ)器接口。因此要選用資源豐富、速度較快、RAM容量較大的FPGA。Xilinx公司Virtex-4 系列完全可以勝任上述工作，在Virtex-4器件中，含有特定的硬件知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，支持多種主要協(xié)議，包括PCI，其內(nèi)嵌的RAM可以作為FIFO或者雙口RAM使用，此外還具備豐富的資源。綜合考慮，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的XC4VSX35。
2.2 PCI接口電路
本系統(tǒng)中采用PCI9656作為PCI接口芯片，此芯片為PLX公司生產(chǎn)的比較新的產(chǎn)品。PCI9656支持64 bit、66 MHz的PCI總線和32 bit、66 MHz的Local總線接口，兼容PCI R2.2規(guī)范，支持PICMG 2.1 R2.0熱交換功能，支持三種局部總線類型：M模式、C模式和J模式，支持異步的PCI和Local總線時(shí)鐘，支持三種數(shù)據(jù)傳輸方式：Direct Master、Direct Slave和DMA，寄存器向下兼容PCI9054、PCI9056、PCI9060和PCI9080等。
2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)
A/D的選擇既要考慮A/D自身的性能又要滿足系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)范圍和性能指標(biāo)。評(píng)價(jià)A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有：A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)、無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、信噪比(SNR)、轉(zhuǎn)換速率、量化靈敏度等。一般來說，A/D的轉(zhuǎn)換位數(shù)越高越好， 轉(zhuǎn)換位數(shù)越多其動(dòng)態(tài)范圍就越高。
AD6645芯片是美國ADI公司生產(chǎn)的高速、高性能單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一種性能優(yōu)良、具有14 bit分辨率、105 MS/s抽樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是繼AD9042、AD6640、AD6644之后的第四代寬帶ADC產(chǎn)品[3]。其原理框圖如圖2所示，主要特點(diǎn)有：