基于Spartan-3 FPGA的视频采集系统设计

1万 · 2013-1-15 23:19

视频采集的主流实现方案有两种：一是基于ASIC，该方案一般采用意法、AMD等公司的专用视频处理芯片；二是基于DSP，主要采用TI、ADI等公司的DSP信号处理器。它们作为辅处理器，可在主CPU控制下进行视频信号的采集压缩。随着FPGA的发展，通过SOPC技术实现视频采集已成为一种易于开发、设计灵活的方案。而这主要得益于IP复用技术的发展。在FPGA上构建复杂嵌入式系统可利用既有的功能模块及其驱动程序。该方案具有更大的集成度和灵活性，因而必将成为电子设计发展的一大趋势。
　　本文介绍了采用Xilinx公司的Spartan-3 FPGA实现通用视频采集系统的设计方案。该系统外接模拟PAL／NTAL制式的摄像头，就能实时采集视频信号并进行MPEG-4格式压缩编码，码流可通过USB接口传给PC机，或通过以太网接口进行网络传输。本系统选用的是Spartan-3 FPGA系列的XC3S200芯片，该芯片有4320个逻辑单元(LC)、216Kbit BlockRAM、4个数字延迟锁相环(DDL)、173个用户I／O，而且逻辑密度高、I／O多、成本低。本设计主要涉及电路板级硬件设计、FPGA片级硬件系统设计和系统软件设计。
1 板级硬件设计
　　FPGA在电源和配置电路的支持下，即可构成嵌入式系统的最小化系统，并能实现片内的所有功能。在此最小化系统上，就可以根据本设计的应用需求，来扩展外部存储模块、视频采集模块、USB接口模块、以太网接口模块等功能模块电路，从而形成电路板级硬件平台。该板级硬件平台的结构组成如图1所示。

1.1 最小化系统
　　该FPGA是基于SRAM存储结构的器件。每次上电时可将配置数据从外部配置存储器加载到内部SRAM中，以使其构建逻辑结构从而实现逻辑功能。配置调试模块主要包括配置存储器、配置模式跳线开关和JTAG调试端口，其中JTAG调试端口是系统开发阶段PC机与FPGA的通信接口，可用于从PC机下载FPGA配置数据，并在程序调试阶段作为联机接口。本设计采用Xilinx公司Platform. Flash系列配置存储器XCF02S，并采用14针JTAG接口。模式跳线开关可决定FPGA是由JTAG还是由配置存储器来进行配置。系统时钟模块可对XC3S200提供50 MHz高频时钟信号，它采用高稳定性的石英晶体振荡器分立元件。电源管理模块采用DC／DC变换器来为系统各元件提供需要的各种电压电流。以上部分与FPGA芯片相连即可构成嵌入式系统工作的最小化系统。
1.2 外部存储扩展
　　由于XC3S200的片内存储容量有限且掉电即失，因此必须配置大容量的外部储存器。本设计扩展了4MByte的flash和32MByte的SDRAM (包括一片AMD公司的AM29LV320DT90EC型Flash和两片HYNIX公司的HY57V281620HCT-PI型SDRAM)。其中Flash在系统中用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据。而SDRAM掉电数据即失，但其存取速度大大高于Flash且可读可写，因而在系统中用作程序的运行空间、临时数据及堆栈区等。
1.3 视频采集模块
　　TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗的高性能混合信号视频解码芯片，可自动识别NTSC／PAL／SECAM制式的模拟信号，并将其按照YCbCr4：2：2的格式转化成数字信号，然后以8位内嵌同步信号的ITU-RBT.656格式输出。TVP5150具有价格低、体积小、操作简便等特点。FPGA对TVP5150芯片的操作是通过I2C总线实现的，数据传输连接方式采用最简单的ITU-RBT.656方式。
1.4 USB接口模块
　　USB接口模块选用PHILIPS公司的高性能USB接口芯片PDIUSBD12。该芯片完全符合USB1.1规范，可支持DMA传输，并可通过高速8位并行接口和FPGA进行通信，其最高并行接口速率可达到2 MB／s。
1.5 以太网接口模块
　　该模块采用Realtek公司生产的高度集成的以太网控制器RTL8019AS。RTL8019AS支持IEEE802.3标准和8位或16位数据总线。其内置16KB的SRAM可用于收发缓冲。在全双工模式时，其收发可同时达到10Mbps。RTL8019AS可支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自动检测所连接的介质。本设计采用RTL8019AS跳线接口模式，并通过16位数据总线连接FPGA。
2 片级硬件系统设计
　　在Spartan-3上构建嵌入式系统的基础是MicroBlaze IP核。这是一种用硬件描述语言在FPGA内部实现的32位微处理器，采用RISC指令集和Ha rvard体系结构。可根据不同的外设和存储器配置进行定制，并可以针对应用来调整处理器系统架构。在Spartan-3系列芯片上进行该配置大约占用500 Slices。该IP核具有32个32位通用寄存器和2个专用寄存器。其32位宽的指令系统能支持3个操作数和两种寻址方式，而其独立的32位指令和数据总线则可与IBM的OPB总线完全兼容。通过模块中的LMB总线，其32位指令和数据可直接与片内的块存储器相连。此外，该IP核还具有高速的指令和数据缓存(Cache)、三级流水线结构、32位地址总线、硬件调试逻辑、8个输入和8个输出的快速链路(FSL)接口等。MicroBlaze软处理器的内部功能结构如图2所示。

在FPGA上设计嵌入式系统时，可在最低层硬件资源上开发片内外设IP核，或利用已开发的IP核搭建嵌入式系统的硬件部分，然后开发IP核的设备驱动、应用接口(API)和应用层(算法)。通过标准总线接口将局部存储器总线(LMB)和片内外设总线(OPB)连接到片内外设IP核，MicroBlaze处理器就可以和各种外设IP核及片内BlockRAM相连。该开发工具提供的IP核均有相应的设备驱动和应用接口，使用者只需利用相应的函数库来编写自己的应用软件和算法程序即可。对于用户自己开发的IP核，则需要自己编写相应的驱动和接口函数。利用MicroBlaze处理器构建的基本嵌入式系统如图3所示。

1万 · 2013-1-15 23:19

在FPGA上实现嵌入式系统，主要是构建片内MicroBlaze处理器，并为处理器添加片内外设以实现硬件模块功能，同时应添加片内外设与芯片外部引脚的连接。在开发片内外设的同时，应开发外设功能的底层驱动程序，然后在MicroBlaze处理器上实现系统应用程序。这是个软件与硬件协同开发的过程。以MicroBlaze处理器为核心的系统开发可使用Xilinx公司提供的EDK(Embedded Development Kit)。该EDK提供有一个集成开发环境XPS(Xilinx Platform. Studio)，它同时集成了硬件平台产生器、软件平台产生器、仿真模型生成器、软件编译器和软件调试器等工具。在此环境下调用各种工具即可完成软硬件协同开发的整个流程。EDK提供有多种与MicroBlaze处理器相关的功能IP核，其中包括OPB 10／100M以太网控制器、PLB／OPB SDRAM控制器、UART中断控制器、定时器及其它外围设备接口等资源。使用EDK中的系统硬件平台设计向导(Base System Builder Wizard)可进行MicroBlaze处理器的配置，而使用添加外围设备向导(ImportPeripheral Wizard)则可调用既有IP核以生成片内设备，并与处理器总线相连。
　　本系统的片内主要功能模块包括视频接口模块、环形缓冲区、码流两级FIFO缓冲区、MPEG-4编码器、Flash控制器、SDRAM控制器、10／100M以太网控制模块、USB控制模块等。其中视频接口模块是MicroBlaze处理器与TVP5150的接口。MicroBlaze处理器对TVP5150的控制驱动程序可从TVP5150驱动程序模板移植而来，可用于实现TVP5150采集方式的配置，并将采集的视频信号以4：2：0YUV格式存储到环形缓冲区里。环形缓冲区是片内与MicroBlaze处理器总线相连的SRAM存储空间的一部分，其中数据队列的首尾指针是由MicroBlaze处理器程序维护的。采用开发工具提供的FIFO模板可对其深度、位宽、读写时钟、满标志等参数进行设定，并将两个FIFO相连以构成两级FIFO，然后将其入口与MPEG-4编码器的输出相连。FIFO的先一级与MicroBlaze处理器总线相连可支持DMA读取。MPEG-4编码器是Xilinx公司授权的MPEG-4 Simple Profile编码器IP核，它接受环形缓冲区里未压缩的4：2：0YUV格式视频信号并可将其生成MPEG-4Simple Profile格式压缩码流。MPEG-4编码器与MicroBlaze处理器总线和两级FIFO输入相连，可为EDK提供其驱动程序。Flash控制器、SDRAM控制器、10／100M以太网控制器的实现软件在EDK中已提供，其与处理器总线的连接也在向导工具中自动设定，其驱动程序就包含在其中。由于片外采用了高度集成的USB控制器，而片内的USB控制模块只是MicroBlaze处理器总线与引脚的直接相连，故其驱动程序只是参考PDIUSBD12的一般驱动程序在EDK软件平台上的移植。
　　本系统的片内外设与MircoBlaze处理器的连接如图4所示，其中箭头表示视频数据的流向。

3 系统软件设计
　　系统中的MicroBlaze处理器对TVP515 0和PDIUSBD12的控制驱动程序可根据其通用驱动程序在EDK软件平台上移植生成。利用Xilinx公司提供的IP核可以搭建FPGA片内硬件平台，同时可获得底层硬件驱动程序的支持，然后在此基础上进行系统应用程序的开发。
　　外部模拟视频信号经TVP5150转换为数字视频信号后，即可进入FPGA并通过视频接口模块直接排列到内部环形缓冲区数据队列的队尾。
　　当MircoBlaze处理器接收到MPEG-4编码器可用中断时，系统将检测环形缓冲区是否为空。非空时，可将数据队列的头部数据取出送给MPEG-4编码器，同时启动编码器编码。
　　视频信号经过编码器编成视频原码流后，即可进入FPGA内部二级FIFO缓存。当FIFO先一级满时向MircoBlaze处理器发出数据输出中断请求。
　　MircoBlaze处理器响应来自FIFO的中断后，可将FIFO先一级数据取出并以USB或以太网接口输出，然后清空FIFO先一级。
依据上面的工作过程，MircoBlaze处理器的应用程序包括以下几部分：
(1)系统复位初始化
　　即禁止外部中断，初始化各驱动程序，清空环形缓冲区和两级FIFO，检测USB接口、以太网接口连接以决定用何种方式输出，然后启动对TVP5150的控制并进行数据采集，最后启用外部中断。
(2)编码器可用中断服务
　　编码器完成一帧数据编码即可向MircoBlaze处理器发出中断，然后由MircoBlaze处理器控制编码器向环形缓冲区提取数据，并在环形缓冲区耗尽时等待一定时间；

1万 · 2013-1-15 23:20

(3)码流可输出中断服务
　　当两级FIFO先一级所准备输出的码流满时，可向MircoBlaze处理器发出中断，然后在MircoBlaze处理器控制下，将该码流交付给USB或以太网输出接口API并由底层驱动输出，最后再清空FIFO先一级。
图5所示是其应用程序流程图。

4 结束语
　　本设计介绍了基于Spartan-3 FPGA实现通用视频采集系统的实现方案。本系统的设计依赖于专用的设计软件和IP模块。由于采用了SOPC技术，该系统可裁减、可扩充、可升级，而多层次IP模块的高度复用又使得本系统具有设计周期短，风险投资小和设计成本低等优势。