基于FPGA的機(jī)器人圖像監(jiān)視系統(tǒng)

摘 要：基于FPGA開發(fā)的機(jī)器人VGA視頻監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將經(jīng)模擬攝像頭得到的數(shù)據(jù)通過處理后直接送到顯示器，節(jié)省了計(jì)算機(jī)的處理過程；系統(tǒng)預(yù)留出外部接口和程序空間，有很好的再開發(fā)性。根據(jù)輸入視頻信號(hào)和輸出視頻信號(hào)的不同格式，討論了用Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)從YcrCb到RGB格式的轉(zhuǎn)換器的方法。
關(guān)鍵詞：可編程器件 硬件描述語言 實(shí)時(shí)圖像 VGA顯示器

工業(yè)機(jī)器人往往在無人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視的情況下工作，這就要求工作人員能在控制室中實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解機(jī)器人周圍的工作環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的故障。最好的監(jiān)視手段就是實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。隨著計(jì)算機(jī)、多媒體和集成電路等技術(shù)的發(fā)展，各種大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)為視頻信號(hào)數(shù)字化處理提供了有效手段。利用可編程器件FPGA實(shí)現(xiàn)的VGA彩色顯示控制器已有很多的實(shí)際應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的FPGA芯片，通過硬件描述語言Verilog設(shè)計(jì)模塊控制器實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)模塊間的通信及控制，通過Modelsim軟件對(duì)系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行仿真綜合，在VGA顯示器上得到十分清晰的圖像。系統(tǒng)預(yù)留出一定的程序空間，可根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)圖像進(jìn)行諸如小波變換、圖像增強(qiáng)等處理。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

目前數(shù)字監(jiān)視系統(tǒng)已在某些領(lǐng)域取代了模擬監(jiān)視系統(tǒng)，但與數(shù)字?jǐn)z像頭相比，模擬攝像頭在高分辨率和變焦方面仍占有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)機(jī)器人實(shí)際工作情況，本設(shè)計(jì)選用高性能的模擬攝像頭來采集視頻信號(hào)。
模擬攝像頭輸出的視頻信號(hào)中除了圖像信號(hào)外，還有場(chǎng)同步、行同步、開槽脈沖等信號(hào)，它們和圖像信號(hào)混合在一起，所以不能直接對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。要得到圖像數(shù)據(jù)，就要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行必要的同步分離。本系統(tǒng)采用Philips公司的增強(qiáng)型可編程視頻解碼器SAA7113，通過FPGA配置其寄存器，使其輸出標(biāo)準(zhǔn)ITU 656 YUV4:2:2格式(8位)VPO數(shù)據(jù)；通過Verilog語言設(shè)計(jì)的I2C總線控制器，控制兩個(gè)多功能實(shí)時(shí)輸出端口，并可以用來校驗(yàn)是否寫入操作正確；通過I2C總線對(duì)地址02H進(jìn)行配置可以得到想要的片內(nèi)信號(hào)源[1][2]。
系統(tǒng)選用EP1C20為FPGA主芯片，作為Cyclone系列芯片中功能最強(qiáng)大的芯片，其運(yùn)算速度快，具有20 060個(gè)邏輯單元，F(xiàn)PGA內(nèi)部有PLL，可以用50MHz的時(shí)鐘產(chǎn)生SRAM及VGA控制器所需要的時(shí)鐘。FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常適合數(shù)字視頻處理，同時(shí)技術(shù)成熟，完全可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的視頻監(jiān)視。
幀存是圖像處理器與顯示設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通道，因此要顯示的圖像數(shù)據(jù)首先存放在幀存中，然后再輸出顯示。幀存的設(shè)計(jì)是圖形顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。采集的一幀圖像是800×600像素，每像素用2字節(jié)表示，每幀圖像800×600×16bit=7500kbit，分成奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)分別存儲(chǔ)在兩片SRAM中，則每片SRAM存儲(chǔ)3750kbit的圖像數(shù)據(jù),因此選用兩片256K×16bit=4Mbit的靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)ISSI IS61LV25616－10T芯片作為圖像幀存，并用FPGA設(shè)計(jì)幀存控制器，從而大大減小電路板的尺寸，增加系統(tǒng)的可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。FPGA作為邏輯控制芯片， 負(fù)責(zé)識(shí)別源信號(hào)， 將圖像數(shù)據(jù)按照一定的格式寫入幀緩存， 同時(shí)以固定的速率從幀緩存中讀出數(shù)據(jù)并產(chǎn)生相應(yīng)的同步信號(hào)，一同送往DAC。
視頻輸出模塊采用ADI公司的VGA DAC ADV7125KST50，其與FPGA間的接口為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字VGA信號(hào)，同時(shí)可配置為8位輸入。ADV7125KST50包括三路8位D/A轉(zhuǎn)換器并與RS-343A/RS-170接口輸出兼容。
ADV7125KST50在本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)如圖2。

2 系統(tǒng)功能模塊
2.1 各功能模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通過Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)的I2C總線控制器與SAA7113芯片完成原始圖像的處理與傳輸。I²C控制核的設(shè)計(jì)采用自頂而下的方法，分為三個(gè)模塊：I²C_top模塊是頂層管理模塊，用來生成當(dāng)前I²C控制核的工作狀態(tài)，把命令字信號(hào)送到I²C_cmd模塊；I²C_cmd模塊的核心部分是命令狀態(tài)機(jī)，該模塊的主要功能有兩個(gè)：一是把I²C_top模塊發(fā)送的start、write、read、stop四個(gè)命令信號(hào)轉(zhuǎn)化命令碼發(fā)送到I²C_controller模塊，二是實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換；I²C_controller模塊負(fù)責(zé)I²C接口，最終實(shí)現(xiàn)I²C總線信號(hào)SCL和SDA的啟動(dòng)、停止、讀、寫、確認(rèn)等具體操作的時(shí)序關(guān)系^[5]。
SRAM控制器完成對(duì)幀存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取，SRAM控制器的結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)控制接口模塊、CMD命令解析模塊、命令響應(yīng)模塊、數(shù)據(jù)通路模塊共四個(gè)模塊。系統(tǒng)控制接口模塊用于接收系統(tǒng)的控制信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生不同的CMD命令組合；CMD命令解析模塊用于接收CMD命令并解碼生成操作指令；命令響應(yīng)模塊用于接收操作指令并產(chǎn)生SRAM的操作動(dòng)作；數(shù)據(jù)通路模塊則用于控制數(shù)據(jù)的有效輸入輸出。
當(dāng)FPGA向SRAM存儲(chǔ)數(shù)字視頻信號(hào)時(shí)，用SAA7113的LLC2作為FPGA內(nèi)部同步時(shí)鐘信號(hào);當(dāng)FPGA傳輸數(shù)字視頻信號(hào)時(shí)，讀選通信號(hào)Clk作為內(nèi)部同步時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)有VS上升沿時(shí)，如果RTS0為低電平，則表明奇數(shù)場(chǎng)即將到來,產(chǎn)生Pin高電平信號(hào)，對(duì)Pin取反作為SRAM(ODD)的寫信號(hào)WE1;如果RTS0為高電平,則表明偶數(shù)場(chǎng)即將到來,產(chǎn)生PinEven高電平信號(hào),對(duì)PinEven取反后作為SRAM(Even)的寫信號(hào)WE2，WE1和WE2經(jīng)過與門后產(chǎn)生兩個(gè)SRAM的寫選通信號(hào)WE。此外，由Pin和PinEven產(chǎn)生PinAll信號(hào)作為選擇內(nèi)部同步時(shí)鐘的控制信號(hào)。由FPGA芯片產(chǎn)生的Ramodd(OE1)和RamEven(OE2)信號(hào)，分別用作SRAM（ODD）和SRAM（EVEN）的讀信號(hào)，OE1和OE2經(jīng)過與門后產(chǎn)生兩個(gè)SRAM讀選通信號(hào)OE。當(dāng)PinAll為高電平時(shí)，表示FPGA正在向SRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù),此時(shí)用WE1作為SRAM（ODD）的片選信號(hào)CE1，用WE2作為SRAM（EVEN）的片選信號(hào)CE2；當(dāng)Pin為低電平時(shí)，表示正在從SRAM讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)用OE1作為SRAM（ODD）的片選信號(hào)CE1，用OE2作為SRAM（EVEN）的片選信號(hào)CE2。
VGA控制器實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的處理，并將圖像顯示在VGA顯示器上。在VGA中，水平同步脈沖在光柵掃描線需要回到水平開始位置，即在屏幕左邊時(shí)插入，垂直同步脈沖在光柵掃描線需要回到垂直開始位置，即在屏幕上方時(shí)插入。復(fù)合同步脈沖是水平同步脈沖和垂直同步脈沖的組合。RGB為像素?cái)?shù)據(jù)，當(dāng)消隱有效時(shí)，RGB信號(hào)無效。VGA主要參數(shù)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為：像素輸出頻率為25.175MHz；行頻(線頻率)為31.469kHz；場(chǎng)頻(刷新率)為59.941Hz[4]。圖3是VGA行掃描、場(chǎng)掃描的時(shí)序圖。

2.2 YCrCb到RGB格式的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
在SAA7113 所提供的多種數(shù)據(jù)輸出格式中，ITU656 格式在８位輸出管腳上直接輸出與像素時(shí)鐘相對(duì)應(yīng)的像素灰度值。由于SAA7113是YUV輸出，而目前所有的顯示器都采用RGB 值驅(qū)動(dòng)，這就要求在顯示每個(gè)像素之前，必須把彩色分量值轉(zhuǎn)換成RGB 值。根據(jù)SAA7113數(shù)據(jù)手冊(cè)的輸入標(biāo)準(zhǔn)以及系統(tǒng)的時(shí)鐘，需要對(duì)輸入的數(shù)據(jù)做一個(gè)延時(shí),調(diào)整Y、Cb、Cr的順序，有效視頻信號(hào)延遲一個(gè)周期，而對(duì)準(zhǔn)信號(hào)要延遲兩個(gè)周期。本系統(tǒng)通過Verilog語言設(shè)計(jì)了一個(gè)從YCrCb到RGB格式的轉(zhuǎn)換器。
YCrCb轉(zhuǎn)換到RGB(注意到0.299+0.587+0.114=1.0，三原色的系數(shù)之所以不同是因?yàn)槿说难劬?duì)不同波長的顏色有不同的敏感度）：
Y=0.299R+0.587G+0.114B
CB=-0.1687R-0.3313G+0.5B
CR=0.5R-0.4187-0.0813
RGB轉(zhuǎn)換回YCRCB：
R=Y+1.402CR
G=Y-0.34414CB-0.71414CR
B=Y+1.772CB
2.2.1 YcbCr到RGB 變換器接口說明
module yuvrgb(
clk，//時(shí)鐘輸入
rst，//復(fù)位輸入
y_in，//變換前Y分量輸入
cb_in，//變換前Cb分量輸入
cr_in，//變換前Cr分量輸入
ena_in，//待變換數(shù)據(jù)使能，當(dāng)它為高時(shí)，輸入數(shù)據(jù)有效
R_out，//變換后R分量輸出
G_out，//變換后G分量輸出
B_out，//變換后B分量輸出
ena_out//變換后數(shù)據(jù)使能輸出
)；
2.2.2 YcbCr到RGB變換器測(cè)試方法
在Quartus Ⅱ下通過調(diào)用Modelsim軟件對(duì)該變換器進(jìn)行仿真，將YCbCr 輸入轉(zhuǎn)換成RGB 輸出，時(shí)序圖如圖4所示。

在Quartus Ⅱ下調(diào)用Modelsim的方法簡(jiǎn)單、直觀，并且易于修改。根據(jù)得到的仿真結(jié)果，可以看到變換器滿足時(shí)序要求。
本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于FPGA的機(jī)器人圖像監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功地應(yīng)用于對(duì)機(jī)器人的視頻圖像傳輸，并可通過Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)各種控制模塊并實(shí)現(xiàn)模塊間的通信。這個(gè)平臺(tái)可以對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行高質(zhì)量的傳輸，還可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要在今后的設(shè)計(jì)中對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行一系列的圖像處理，具有很好的再開發(fā)性。
參考文獻(xiàn)
[1] 張曉健.視頻解碼芯片SAA7113的初始化與控制[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003，(8).
[2] PHILIPS Corporation.SAA7113 DATA SHEET[Z].1999-7-1.
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[4] ROBIN M，POULIN M.視頻和音頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝.人民郵電出版社，2003.