FPGA控制实现图像系统视频图像采集

数据采集

计算机测量与控制.2003.11(6)　Computer Measurement &Control

?451?

收稿日期:2002-12-06。

作者简介:杨朋林(1975-),男,四川省雅安县人,硕士,主要从事通信理论,数字信号处理,数字图像处理方面的研究。

文章编号:1671-4598(2003)06-0451-04 中图分类号:TP391 文献标识码:B

FPGA 控制实现图像系统视频图像采集

杨朋林1,张晓飞2

(1.四川大学电子信息学院,四川成都　610064; 2.重庆大学光电工程学院,重庆　400044)

摘要:介绍了一种以DSP 为核心的图像系统中,以FPG A 为数据采集逻辑控制单元,用DSP 控制实现了黑白全电

视信号图象数据采集。在介绍了系统组成原理的基础上,详细讨论了采集部分的结构和FPG A 的控制逻辑,DSP 响应中断实现数据转移和存储。采用FPG A 实现视频信号数据采集,可提高系统性能,同时具有适应性与灵活性强,设计、调试方便等优点。通过系统成像实验,已获得清晰的图象。

关键词:数据采集;DSP ;FPG A ;视频信号

FPGA Control to R ealize Video Signal Collection in Imaging System

YAN G peng 2lin 1,ZHAN G Xiao 2fei 2

(1.College of Electronic Information ,Sichuan University ,Chengdu 610064,China ;2.Optoelectronic Engineering College ,Chongqing University ,Chongqing 400044,China )

Abstract :In imaging system ,FPG A is used as a main logic unit ,and DSP control to realize the data acquisition for black -white video signal.The principal of imaging system is introduced.Three parts is expounded in details ,such as construction of acquisition part ,control logic of FPG A ,DSP control and Interru pt https://www.wendangku.net/doc/8814922098.html,ing FPG A to realize video signal collection will en 2hance the system capability ,and easy to design and debug.It also has such advantages as adaptability and flexibility.Clear image is obtained from experiments using this imaging system.

K ey w ords :data acquisition ;FPG A ;DSP ;video signal

图1　基于DSP 的实时图像系统的原理图

1　引言

通过对CMOS 图像传感器输出的黑白电视信号

进行视频采集,获得数字图像信号,实现数字图像的处理。该系统采用PC 机和基于DSP 的数字信号处理板(数字板)构成主从式成像系统。采用计算机作为主机,DSP 作为辅助机的主从式结构。文章主要介绍系统的视频图像采集部分采用FP G A (现场可编程门阵列)进行逻辑控制实现视频图像采集的原理及实现。

2　系统组成及基本原理

一个完整的成像系统不但要具备图像信号的采集

功能,能对图像进行实时显示[2],且要求完成图像信号的分析,处理算法(如图像压缩、图像识别等)以及图像处理结果的反馈控制。通常这些算法的运算量大,同时又要满足实时显示的要求,因此采用高速DSP 芯片作为数据核心处理单元。

另外,要求系统满足通用性的同时,针对不同的应用和不断出现的新处理方法,还要使系统便于功能的改进和扩展。为此,我们以PC 机为主机,以TI 公司的DSP (TMS320C6201)作为数字信号处理板的核心[1],用FP G A 作为系统数据采集的控制部分,设计出实时图像处理系统。图1是基于DSP 的实时图像系统的原理图。文章将详细阐述该系统数据采集部分的实现方法。

3　视频信号采集部分的实现原理

311　信号说明

黑白复合视频图像信号通常由图像信号、消隐信号以及同步信号共同组成。我们采用黑白电视信号作为模拟输入,以FP G A 作为采集系统的控制单元进行逻辑控制实现采样。图2是复合视频图像信号波形,

　?452?计算机测量与控制　第11

卷

图2　复合视频图像信号波形示意图

黑白电视信号说明如下[3]:

(1)扫描方式为隔行扫描;

(2)每秒50场,场周期为20ms ,每场31215行,行周期为64μs ;

(3)黑白电视信号由图象信号,复合消隐脉冲,复合同步脉冲组成,场消隐期宽度为25个行同期,场同步脉冲宽度为215个行周期,行消隐期宽度为12μs ,行同步脉冲宽度为

417μs 。

由于系统采用逐场逐行采集电视信号,并且要求控制所采集的图像大小为128×128像素,因此必须对视频信号的同步信号进行分离,提取视频信号的同步信号,以便采集部分的实现。312　视频信号复合同步信号提取电路

我们采用视频同步分离器LM1881芯片来完成这一功能,LM1881可以从0

15～2V 标准负极性N TSC 制、PAL 制或SECAM 制视频信号中提取组合同步、场同步、奇偶场识别等信号,这些信号都是进行图像数字采集所需要的同步信号,有了它们,才能确定在哪一场、哪一行。因此我们选用LM1881来获取复合同步信号。采用LM1881同步提取电路,能够十分方便地提取采集同步信号,且电路十分简单,该部分的电路图和信号波形如图3所示。其中Vin 是标准视频信号,Hs 为行同步信号,Vs 为场同步信号,ODEV 为奇偶场信号。

图3　LM1881复合同步信号提取电路及信号波形

图4是实际提取的视频同步信号波形,可以看

出,我们采用LM1881可以获得很好的视频同步信号,为视频信号采集提供了好的控制信号。

313　FP G A 与DSP 数据交换部分的工作原理及工作过程

由图1可以看出,DSP 与FP G A 中是采用一个

图4　视频同步信号波形图

双口RAM 来实现数据交换的,双口RAM 的容量为4K ×32bit 。双口RAM 作为图像数据的中间存储区,图像采集部分由DSP 负责启动控制及采集数据的读取。为了实现图像的实时采集与处理,应当使对图像信号的采集与外部对图像的读取能够同时进行,因而将4K 的双口RAM 划分成两块图像数据缓存区域,假设前2K 为RAM -1,后2K 为RAM -2。在系统工作的任一时刻,一块缓存用于图像的采集,采集部分向该存储区写图像数据;另一块用于外部对图像数据的读取,DSP 可以读取该存储区中的图像数据。双缓存结构的一个重要特点在于DSP 对存储区的数据操作是随着双口RAM 存储地址来回切换的。当AD 转换数据写满RAM -1时,FP G A 会向DSP 发出一个中断信号,此时,DSP 读取RAM -1中的数据,同时,AD 转换数据写入RAM -2,当RAM -2中的数据写满时,FP G A 会向DSP 发出一个中断信号,此时,DSP 读取RAM -2中的数据,同时,AD 转换数据写入RAM -1,如此交替,实现数据的写入与读取同时进行。由于DSP 读取双口RAM 中数据的速度远远大于AD 转换写入数据的速度,就允许采集与外部访问的同时进行,采用两块存储区操作的乒乓式切换,满足数据实时交换的要求。

系统的工作过程为:(1)DSP 通过ENAD 信号控制采集系统的运行,当ENAD =1,数据采集系统开始工作,数据通过AD 不断地送入双口RAM ,且双口RAM 每隔2K 发出一个中断,通知DSP 读取前一段已完成转换的数据;(2)当ENAD =0,即系统停止工作,采集时钟为低电平,存储器片选均为低电平(片选为高电平有效),整个系统处于低能耗的待命状态。

314　FP G A 采集控制部分的逻辑结构

实际上一场视频图像的奇行场和偶行场分别为31215行,场消隐期宽度为25个行周期,由于我们采集的行数一定,因而只需对奇行场进行采集即可,为使图像的采集行范围不落入场消隐期中,我们确定一场的采集从场同步滞后32个Hs 脉冲开始,采集128行后停止,这样可以保证不会采到消隐电平。图像每行时间为64μs ,其中行消隐期宽度为12μs ,行

第6期杨朋林:FP G A 控制实现图像系统视频图像采集?453?　

消隐期中有417μs 的行同步头,行同步头在消隐期

中的位置一般靠前。我们确定从采集行行同步滞后7μs 后开始采集(滞后时间可视具体信号稍加调整),采集时钟为6166MHz ,采128个点需要1912μs 。可以用一个6分频的计数器,将40M 的输入时钟CLOC K 变换为6166M 的采集时钟AD -CL K 。

根据313中说明的系统工作过程,FP G A 的控制逻辑过程为:

当ENAD =0时,采集系统停止工作,这时L IN E =0,ENCA =0,因而没有AD 转换信号,同时地址发生器不计数。

当ENAD =1时,系统处于采集状态,

采集一场图像的过程为:

图5　FPG A 采集控制部分逻辑原理框图

首先ENAD 与Hs 通过AD 启动控制部分合成,使AD 启动,只有Vs 上升沿到来后,才让Hs 通过,从而保证采集的图像为完整的一帧图像。当Vs 上升沿到来后,对所有计数器及触发器清零。Vs 上升沿后,场消隐延时用来对Hs 计数,以保证计数32周期后,场消隐期已过,可以采集图像。行同步计数器对Hs 进行计数。在计数的每一行中,当Hs 上升沿到来时,行消隐延时对AD -CL K 计数,计数到32时,此时行消隐已过,点同步计数器开始对AD -CL K 计数。当行同步计数达到128后停止计数,此时一帧图像采集完毕。等待下一个Vs 到来。

图5为FP G A 采集控制部分逻辑原理图。设计采用原理图输入法,对设计文件进行了仿真和时序分析,其时序特性符合所需的时序要求,该系统选用的FP G A 器件是Xilinx 公司的Spartan XL 系列XSC2000,在Foundation 31

1i 上完成设计,且下载到芯片验证[4,5]。同时,根据不同的输入控制信号和控制要求,只要对FP G A 内部的逻辑结构稍作修改,便可实现新的控制。

图6是FP G A 输出的AD 控制信号。其中,AD -IN T 是中断响应信号,ENCA 是AD 转换控制信号。

图6　FPG A 输出的AD 控制信号图

315　DSP 实现中断控制取数

FP G A 每采集2K 数据所发出的中断信号AD -IN T 与DSP 的外部IN T7相连,用于实现DSP 的中断取数,由于FP G A 每隔2K 发出一个中断,且双口RAM 的大小为4K ,因而必须采用中断实现取数。具体实现为在DSP 内设置中断,当外部中断信号来到时,则响应中断服务程序,执行中断响应。如此反复,直到完成一帧图像采集。

该系统DSP 的中断控制部分采用ANSI C 语言编写,DSP 中断主程序及中断响应服务程序如下(读取一帧图像):

A -flag =0;count =8;void main (){......

ICR|=0x80;

IER|=0x0083;//enable int 7(start -int )

CSR|=1;

3(unsigned volatile int 3)ADADDR =0x1F ;//ad start while (1)//waiting for intrupt

{if (count ==0)break ;}

3(unsigned volatile int 3)ADAD 2DR =0x0;//ad stop

CSR =0x100;//disable all inter 2rupts

IER =1;//disable all interru pts except NMI

ICR =0xffff ;//clear all pending interrupts

......}

interrupt void start -int ()//inter 2rupt service program

{　if (A -flag ==0){　while (b0<0x2000)

　?454?计算机测量与控制　第11卷

{　3(unsigned volatile int 3)(0x400000+b1)=3(un 2signed volatile int 3)(0x1400000+b0)&0xFFF ;

b0=b0+4; b1=b1+4;} A -flag =1;}else if (A -flag ==1){ while (b0<0x4000)

{3(unsigned volatile int 3)(0x400000+b1)=3(unsigned volatile int 3)(0x1400000+b0)&0xFFF ;

b0=b0+4; b1=b1+4;} b0=0;

A -flag =0;}count --;}

在中断矢量表中要设置硬件中断7的响应函数,以便有外部中断时执行相应的中断服务程序,设置语句为:

IN T7:b start -int

程序中ICR 为中断设置寄存器,IER 为中断使能寄存器,CSR 为控制状态寄存器。ADADDR 为AD 启动/关闭控制字,其地址值为0x3380000。A -flag 标记用于识别读取的数据是4K 双口RAM 的前或后2K 的标记。count 用于一帧图像中断次数的记数(2K 38=16K ),双口RAM 在DSP 的存储器中对应的存储器位置为0x1400000,因而转移数据时,对0x1400000进行操作。

4　实验结果

采集到的数据通过PCI 口与PC 机实现数据交换,由于PCI 口实现交换数据快(可高达120Mbyte/s ),且可方便地读取板卡上内存处的数据实现数据交图7　采集得到的128×128面阵256级灰度图像图

换,便于系统的实现。图7是用系统进行视频图像采集,通过PCI 口实现读数和显示获得的128×128面阵,按256级灰度显示所得的图像。通过系统成像实验表明,该系统可以采集获得很清晰的图像,实验结果较为满意。

5　结束语

在系统中采用FP G A 作为采集控制部分,可以提高系统处理的速度,大大提高系统的灵活性和适应

性。具体表现为:

(1)系统性能得到大大提高:由于在FP G A 与DSP 之间采用双口RAM 作为数据交换区,FP G A 专门负责采集控制部分的实现,通过中断的方法与DSP 实现数据和控制指令交换,因而大大提高系统的性能。如果采用DSP 进行AD 采集控制,在高频数据采集控制中将耗去DSP 的大部分时钟,而降低系统的整体速度。

(2)系统的适应性与灵活性强:由于采用FP G A 可编程逻辑器件作为系统采集控制单元,对于不同的视频图像信号,只要在FP G A 内对控制逻辑稍作修改,便可实现信号采集。同时,也可根据系统的需要,控制所采图像的位置和所采图像的大小,以适合不同场合的需要。

(3)设计结构简单,调试方便:FP G A 的外围硬件电路简单,因而在硬件设计中,可以大大地减小硬件设计的复杂程度。而FP G A 的时序逻辑调试可在软件上仿真实现,因而大大降低硬件调试难度。

参考文献:

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[3]刁鸣.电视接收机原理[M ].北京:学苑出版社,

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[5]李广军,孟宪元.可编程ASIC 设计及应用[M ].成都:

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