一种基于FPGA的红外视频采集系统设计 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

一 种基于 F P GA的红外视频采集系统设计 贺贝 ， 张友奖 ， 徐 旺生 ( 1 武汉华中数控 股份有 限公 司红外事业部 ， 武汉 4 3 0 0 7 4 ； 2 武汉烽火 网络有限责任公 司) 摘要 ：介绍 了一种基 于 F P GA技 术的红外视频采 集 系统组成 架构 ， 给 出 了各功能模块 的 实现方 法， 包括 主要 的 HDL代 码 、 S i g n a l t a p I I 波形以及 Q u a r t u s I I 顶层原理 ， 并制作 电路板进行调试 ， 最终 的红外 图像 通过 VG A 实时显 示。结 果表明 该 系统能充分利用 F P GA技术 的优 势， 具有扩展性好 、 控制灵 活、 开发周期短等特点 。 关键词 ：F P GA； 红外视频 ； VGA显 示 中图分类号 ：TP 3 6 8 1 文献标识码 ：A An I n f r ar ed Vi d e o Ac q u i s i t i o n Sy s t em Ba s ed o n FP GA He B e i ， Z h a n g Y o u j i a n g ， X u Wa n g s h e n ( 1 W u h a n H u a z h o n g Nu me r i c a l C o n t r o l Co ，Lt d ，W u h a n 4 3 0 2 2 3，Ch i n a ； 2 W u Ha n Fi b e r h o me Ne t wo r k s Co ，L t d ) Ab s t r ac t ：The p a pe r i nt r od uc es t he i n f r a r e d vi d e o a c q ui s i t o n s ys t e m a r c hi t e c t ur e ba s e d on FPGA ，s h ows t he i mpl e me nt a t i on o f e a c h f u n c t i o n a l mo d u l e i n c l u d i n g t h e ma i n HDL c o d e ， s i g n a l t a p I 1 wa v e f o r m a n d Qu a r t u s I I t o p s c h e ma t i c ，a n d d e s i g n s t h e P CB b o a r d f o r t e s t i ngThe i nf r a r e d i ma g e i s di s pl a y e d i n r e a l t i me o n VGATh e r e s ul t s h ows t h a t t he s ys t e m ma ke s f u l l us e o f t he a dv a nt a g e s of FPGA t e c hn ol o gy，a n d i t ha s go o d s c a l a b i l i t y，f l ex i bl e c o nt r ol a nd s h or t de v e l op me nt c yc l e Key wor ds：FPGA ；i nf r a r e d v i de o；VGA d i s p l a y 1 系统 架 构 红外视频监测系统的 F P GA部分 由 5个模块组成 ， 分 别是 I C配 置 模 块 、图像 采 集 模 块 、 YUV2 RGB模 块 、 S RAM 控制模块 、 VGA 控制模 块 。配 置模 块通过 I C总 线 来 对ADV7 1 8 1 B 芯 片 进 行 配 置 。 配 置 成 功 后 ， A D V7 1 8 1 B将产生图像采集模块所 需的行 场同步信号 ， 并 将红外摄像头输入的复合视频信号转化 为标准 的 NTs C P AL制式 ， 输入到 图像采集模块 ； 图像 采集模 块用来 提取 YUV( B T6 5 6 )图 像 中 的 有 效 数 据 ； YUV2 RGB模 块 将 YUV 图像数据转化为 RGB格式 以供 VGA显示 ； VGA控 制模块用来产生 D A 芯片 ( ADV7 1 2 3 ) 工作 的同步 信号 、 图像数据 ， 以及控 制 图像 数 据从 S RAM 中读 出 。红外 视 频监测系统框图如 图 1所示 。 2系统 硬 件 设 计 2 1 I C配置模块 ADV7 1 8 1 B是 An a l o g公 司的一款应用广泛 的视频解 码芯片 。该芯片 自动监测 输入 的复合视频信 号 ， 通过 I 。 C 总线配置接 口， 可选择 图像输 出方式( NTS C P AL等) ， 本 文 以输 出 NTS C制式视 频 图像 为例 ， 给 出 了所 需 配置 的 寄存 器地 址和配置参数值 ， NTS C制式视频 图像 寄存器地 址 和配置参数值 如表 1所列 。 表 1 N T S C制式视频图像寄存器地址和配置参数值 ( 十六进 制) 寄存器 参数值 寄存器 参数值 寄存器 参数值 寄存器 参数值 地 址 地 址 地 址 地 址 0 0 5 O 2 C 8 C 5 O O 4 C3 0 5 0 4 02 2 D F 2 5 1 0 o C4 8 0 0 8 6 0 2 E EE 2 E EE DO 4 8 o A 1 8 2F F 4 2 F F 4 D5 A0 O E 0 5 3 O D2 3 O D2 D7 EA 1 O 0 0 3 1 1 2 5 2 1 8 E4 3 1 1 1 0 0 3 2 8 1 5 8 ED E5 8 0 1 5 0 0 3 3 8 4 7 7 C5 E6 0 3 1 7 4 1 3 7 A0 7 C 9 3 E7 8 5 2 B 0 0 3 A 1 6 7 D O O EA 0 F ADV 煎 7 降 1 8 1 B L r 1 2c 芯片r F 【 ? ： o 1 2 C 配置 I 模块I FP GA V GA控 I 璺 垒 图 1 红 外 视频 监 测 系统 结 构 框 图 p a p e r m e s n e t c o m c n ( 投稿专用) 2 0 1 2年第4 期 平方 机 嵌入式 系 毛 应冈 5 1 万方数据 ADV7 1 8 1 B芯片作 为 I 。 C 总线通信 的从 器件 ， 其 A L S B 引脚电平 的高低 所 对应 的器 件地址是不同的 ， 从器件读 写 地址 如 表 2所 列 本 系统 将 AL S B引脚 接地 ， 写地址 设 置 为 0 x 4 0 ， 所 有 地 址 代 码 用 十 六 进制表示 。 2 2图像 采集模块 表 2 从 器 件 读 写 地 址 AL S B R W 从器件地址 0 O ox4 o O 1 O x 41 1 0 O x 4 2 1 1 o x 4 3 NTs C默认输 出的图像为奇偶场交替输 出 ， 数据信号 和行场 同步信 号 时 序关 系如 图 2所 示。奇 偶 场分 别 有 2 5 3有效 行 ， 本 文 获 取 其偶 数 场 图像 用 于 传 输 和 显 示 。 BT 6 5 6定义 了一个并行 的硬件接 口， 传输 的视频 图像格 式 为 YCb C r 4： 2： 2 ( Y 为亮 度信 号 ， C b 、 C r分别 为蓝 色信 号分量和红色信 号分 量) 。一行 图像 数 据 的有效 像 素 为 7 2 0， 一个 像 素 占用 两 个 字节 ， 格 式 为 C b Yc r YCb YC r Y。 本 文采 用每 两个 像素 即每输 出 C b YC r Y获取 一 组 cb Y Cr ， 这一组数据通过移位寄存 器得到 3路 8位的并行数据 送入 YUV2 RGB模 块 ， 此 时有 效像 素被 压 缩 成 3 6 0个 。 7 2 0 5 2 5的图像数据 通过 本模块 的采集 ， 可传送 的有效 像素为 3 6 0 2 5 3 。 F I F ，D 1 ( ) 【 J T PUT 譬j VI DE O ： H 几 V F 一 行 图像数据 的起 始 结束 ( S AV E AV) 和所在 数据 帧 的位 置 是 根 据 B T6 5 6图 像 格 式 ( 即根 据 检 测 到 的 ADV7 1 8 1 B输出数据序列“ F F， 0 0 ， 0 0 ， x y ” ) 来判断 的 。奇 数场 的有效行起始 时 x y为 0 x C7 ， 结束 时 x y为 0 x DA； 偶 数场 的有效行起始 时 x y为 0 x 8 0， 结束 时 x y为 0 x 9 D。x y 各位含义如表 3所列 。最高位 b i t 7为固定数 据 1 ， F一0表 示偶数场 ， F一1表示奇 数场 ； V一0表示 该行 为有效 视频 数据 ， V一1表示 该行无有效视频数据 ； H一0表 示为 S AV 信号( 行起始) ， H一1表 示为 E AV信号 ( 行 结束) ； 低 4位 为保护信号 。 表 3 x y字 节 各 位 含 义 x y字节位 含义 x y字节 位 含 义 b i t 7 I b i t 3 V x o r H b i t 6 F b i t 2 F x o r H h i t 5 V b i t 1 F x o r V b i t 4 H b i t 0 F x o r V x o r H 图 3为 S i g n a l t a p I I观 测 到 的 图 像 数 据 采 集 时 序 。 ha c t i v e e v e n高 电平期 间为有效 图像 数据 采集 阶段 ， y u v d i n为从 ADV7 1 8 1 B输出的 8位并 行 图像 数据 ， 当“ F F 0 0 0 0 8 0 ” 到来时 ， 开 始采集 偶数场 图像 的一 行有 效像 素 ， 其 一 ；2 6 2 I ： V T I D E O 毪 ： U H V F 图 2 数据信号和行场 同步信号时序关系 1 a C t ive _e v e n l ： I l l I t 4 1r e g l 【 0 7 】 O O h ： 8 0 h 1 2 h X 8 0 h X 0 h 8 0 h 1 D h LS O h X 5 0 h s t 4 lr e g 2 O 7 】 、 O O h ； x 8 0 h 垡 X 8 0 h t B h 8 0 h j I 5 0 h x 8 0 h 载 4 1r e g 3 O 7 】 守 0 0 h 8 0 h X 2 8 0 h 1 O h X 8 O h X 1 8 n 8 0 h 5 0 h X 8 0 h y u v _ d in O 7 】 0t F F h) c O O h X 8 0 h 1 2 h X 8 0 h 1 0 n 8 0 h X 1 B h 8 0 h I S O h I 8 O h ： ： 8 E h ： 图 3 图像 数 据 采 集 时 序 5 2 Mi c r o c o n t r o l l e r s E m b e d d e d S y s t e ms 2 0 1 2年第4期 WWW m e s n e t c o m c n 万方数据 中黑 线 分 隔 的 r e g l 、 r e g 2 、 r e g 3为 提取 的 3路 即将 送 入 RGB转化 模块 的图像数 据。 2 3 Y U V 2 R G B转化模块 VGA显示器所需的图像数据 为 RGB格 式 ， 所 以需要 对 YCr Cb进行转化 ， 转化公式如下 ： R一 1 1 6 4 ( Y一 1 6 )+ 1 _ 5 9 6 ( Cr 一 1 28 ) ( 1) G一 1 1 6 4( Y一 1 6 ) 一 0 8 1