VGA视频采集系统总体设计资料下载

  一、 引言   随着计算机的广泛使用，对输出的VGA信号进行实时监控、存储及传输的应用需求越来越迫切。本文基于Ti公司的TMS320DM355处理器（简称DM355）、AD公司的AD9883芯片，结合FPGA技术，提出了一种支持分辨率较高、性能优良的视频信号采集和接口电路方案。   该系统对计算机输出的XGA（1024x768）信号进行实时采集、编码、传输，同时利用ADV7123芯片将VGA信号还原，在本地的显示器进行输出，主要应用于视频会议，视频教学系统中。由于VGA信号的采集涉及到AD9883［1］ ［2］芯片和FPGA中信号时序的转换，及DM355的视频处理前端（VPFE：Video Processing Front End）驱动的修改，比较复杂，本文将对此作重点阐述。   二、 系统整体设计   1． 方案选择   本文采用TI公司的达芬奇系列芯片TMS320DM355来实现，这一方案的优点在于：   1）DM355内部集成了ARM926EJ-S内核、协处理器（MJCP）、视频处理子系统及多种外设。ARM中移植嵌入式linux后可构成一个良好的基于网络的嵌入式产品开发平台，能方便的实现Web服务器的构建和功能的扩展。协处理器（MJCP）可实现对多媒体数据的编解码。   2）DM355是一款低功耗的芯片，待机功耗仅为1mW，其电池的使用寿命是当今业界相当的便携式产品的2倍。   3）DM355是TI公司的一款中低档芯片，在满足性能要求的同时，其价格与同类芯片相比也很有优势。因此，广泛应用于数码相机，IP摄像机，数码相片，医学成像及视频监控系统中。   DM355的视频处理子系统包括视频处理前端（VPFE）和视频处理后端（VPBE：Video Processing Back End），视频处理前端［3］用于接收外部传感器或视频译码器等输入的图像信息，由CCD控制器、硬件图像信号处理器、自动曝光/聚焦模块H3A和寄存器组成，支持的视频输入格式有如下三种：   1） RAW格式。   2） BT.656格式。   3） YUV格式。   其中，RAW格式对于每个像素点只存储RGB三原色中某一种颜色的值，在进行色彩还原时因插值运算会导致莫尔纹效应；BT.656格式支持的视频分辨率太低，因此，本系统的DM355处理器的视频处理前端采用YUV格式进行视频采集，须将VGA信号通过硬件电路转换为YUV信号格式。   2． 系统总体设计   图1所示为VGA视频采集系统框图。    图1 VGA视频采集系统框图   1）VGA输入模块。将RGB模拟信号及行同步信号（Hsync）、场同步信号（Vsync）输入给A/D转换模块。由于该模块由模拟电路组成，易产生噪声，因此布线时接口器件应尽量靠近A/D转换芯片。   2）A/D转换模块。首先根据行、场同步信号确定采样的行频和场频，接着由行频和内部寄存器确定像素同步时钟，然后通过配置AD9883芯片内部的锁相环（PLL）产生同步时钟。该模块可将输入的VGA模拟信号转换为8bit×3路的数字视频信号，并通过一系列寄存器调整图像的采样效果。   3） FPGA转换控制模块。一方面FPGA通过I2C总线向AD9883的寄存器写入控制信息；另一方面将输入的RGB信号转换为DM355支持的YUV信号格式，将视频信号送给DM355的视频采集前端。   4）D/A输出显示模块。该模块采用ADV7123芯片将8bit×3路RGB数字信号还原为模拟信号，并结合行、场同步信号构成VGA信号，供本地计算机显示输出。   三、 系统硬件设计   1．VGA接口   VGA是一种D型接口，可传输VGA，SVGA，XGA，SXGA等图像格式。VGA接口共有15条线，分为3组：一是RGB三色模拟信号输入线；二是RGB三色地线，接地处理；三是时序信号线，分别是行同步信号线（Horizon Synchronizing，HS）和场同步信号线（Vertical Synchronizing，VS），这两条线控制了VGA的显示时序。   显示器采用逐行扫描的方式进行扫描，阴极射线枪发出的电子束打在涂有荧光粉的屏幕上，产生RGB三基色，由此合成一个彩色图像。VGA显示可分为行扫描和场扫描，从屏幕左上方开始扫描，从左到右，由上至下。每行扫描结束时，用行同步信号进行行同步；当整个屏幕的所有行扫描结束后，用场同步信号进行场同步，如图2所示。在扫描过程中，CRT对电子束进行消隐控制，在消隐过程中不发送电子束。在每行结束后，电子枪回扫的过程进行行消隐；在每场结束后，电子枪回扫的过程进行场消隐，整个屏幕变黑，光栅在这段内重新回到屏幕的左上角，开始下一帧图像的扫描。    图2 VGA扫描时序   2． A/D转换模块   本系统的A/D转换器采用AD9883，该芯片专门用于采集模拟R，G，B信号，将其数字化显示或作为中间转换器件使用。该芯片具有采样精度为8bit×3路通道，最高采样率为140MSPS/s，300MB的模拟带宽，支持最高分辨率为SXGA（1280x1024），刷新率为75Hz的视频信号。基于AD9883的电路可为高清电视提供良好的接口，或作为高性能视频设备的前端扫描转换器，它的内部结构如图3所示，主要包括A/D转换电路、时钟产生电路、同步信号产生电路、I2C总线接口四个部分。    图3 AD9883的内部结构图   AD9883内部的寄存器通过I2C总线完全可编程，芯片按照寄存器设定的模式进行工作。如AD9883支持多种VGA格式，但不能自动检测实现自适应，需要通过I2C接口进行寄存器配置，指定芯片采集的视频格式。   经AD9883转换后，数字视频信号输出的时序如图4所示。在数据输出时钟DATACK的下降沿对应信号的采样及量化，量化的数据在时钟上升沿稳定的输出；接口电路可在DATACK的上升沿准确地锁存图像数据，从而实现数字化图像的采集。值得注意的是，AD9883有一个数据输出通道，在输出数据有效之前必须清空通道，从而导致每行输出有效数据之前将输出4组无效的数据，可通过行同步信号HSOUT避免输出这些无效数据。    图4 AD9883数据输出时序图   3．FPGA设计   本系统采用EP1C3T144C8将输入的数字化的RGB信号转换为YUV信号，送给DM355的视频采集前端。FPGA以AD9883输出的像素时钟PCLK作为全局同步时钟。   RGB和YUV是两种常用的色彩空间。RGB色彩空间是采用R，G，B三个色彩分量来表示一个像素，常见的RGB格式有RGB565、RGB555、RGB24，本文中AD9883转换输出的数据格式为RGB24，即每个像素用24位表示，RGB分量各使用8位。   YUV色彩空间是视频传输中常采用的一种方法，其特点为亮度信号与色差信号分离。Y表示亮度信息，U表示蓝色色差（即蓝色信号与亮度信号的差值），V表示红色色差（即红色信号与亮度信号的差值）。常见的YUV格式有YUV 4:4：4，YUV4:2：2，YUV4:2：0，本系统中DM355的视频处理前端接收的采集信号格式为YUV4:2：2。该格式为每个像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每两个像素采样一次，在图像数据流中，YUV分量排列如下：Y0 U0 Y1 V0 Y2 U1 Y3 V1 Y4 U2 Y5 V2 … …