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1 引言 目前，紅外熱像儀應用廣泛，多用于偵查或監控，并且大部分紅外熱像儀并沒(méi)有配備大容量存儲器，但在一些特殊場(chǎng)合如導彈發(fā)射試驗中的跟蹤導彈的飛行軌跡，需要記錄整個(gè)過(guò)程，以備事后分析。因此，基于系統設計體積和功耗考慮，這里提出一個(gè)基于FPGA的視頻圖像存儲與回放系統設計方案。該系統采用16片1 GB NAND Flash，紅外熱像儀輸出的每場(chǎng)320x240個(gè)像素點(diǎn)，場(chǎng)頻50 Hz，16 bit的不壓縮數字視頻圖像并保持至少30 min。為了擴展數據存儲量，該系統還配備USB通信接口，便于將記錄數據上傳至計算機，或將計算機保存數據下載到該系統播放。 2 系統硬件設計 系統硬件結構框圖如圖1所示，FPGA將接收的視頻數據編幀后送至Flash進(jìn)行存儲，播放時(shí)讀取數據并按特定時(shí)序送至視頻D／A轉換器，再經(jīng)D/A轉換后送至電視機。USB單片機除與計算機傳輸數據外，還可通過(guò)I2C總線(xiàn)配置視頻D／A轉換器的寄存器以及顯示控制LCD模塊。 考慮到該系統FPGA的內部各模塊邏輯復雜，尤其是在視頻回放時(shí)需要多種控制方式，如暫停、快進(jìn)快退、慢放慢退、逐場(chǎng)播放回放等，實(shí)現這些控制需占用較多的邏輯資源，因此，FPGA選用Xilinx公司的Spartan-IIE系列的XC2S-150E-6P0208，該器件內部邏輯高達15萬(wàn)門(mén)，具有48 Kbit的Block RAM，可作為FIFO。 視頻D／A轉換器選用ADV7175A，該器件是一款性能卓越的數字視頻編碼器�？蓪⒎螩CIR601 4：2：2標準的數字視頻信號轉換為標準的PAL/NTSC制的全電視信號，轉換精度為10 bit，采用單一27MHz的時(shí)鐘源，SNR最高達80 dB，其內部D／A轉換器的獨立開(kāi)關(guān)可降低系統功耗。 根據該系統數據存儲順序進(jìn)行操作，其存儲器選用K9K8G08IJOM型NAND Flash。該器件的容量為8 Gbit，是由8 192個(gè)塊組成，每塊由64頁(yè)組成，8位I／O總線(xiàn)作為命令、地址、數據總線(xiàn)分時(shí)復用。 USB通信部分選用CY7C68013A。該器件是新一代高速EZ—USB FX2．內部集成了USB 2．0收發(fā)器，其SIE(串行接口引擎)可工作在高速(480 Mh／s)傳輸速率下，具有USB2．0的全帶寬；CPU采用增強型805l，具有更快的運行速度；簡(jiǎn)單易用的可編程邏輯接口(GPIF)為外部的FPGA提供無(wú)縫連接四；另外還具有其3．3 V的工作電壓和內部集成的I2C總線(xiàn)控制器。 2．1 Flash讀寫(xiě)速度的匹配 由于16片Flash并聯(lián)，存儲數據時(shí)，FPGA只能對一片Flash操作，又因為Flash的頁(yè)編程時(shí)間過(guò)長(cháng)(最大為700μs)，所以存儲時(shí)應在寫(xiě)完第一片Flash的第一頁(yè)后接著(zhù)寫(xiě)第二片Flash，當輪詢(xún)完其余15片Flash后再回寫(xiě)第一片Flash的第二頁(yè)，這樣可免去頁(yè)編程等待時(shí)間，如圖2所示。另外還需考慮：寫(xiě)完15片Flash的page0的最短時(shí)間為25 ns(Flash的最小讀數周期)×2 048(每頁(yè)2 K字節)×15(片)=768μs，該時(shí)間大于頁(yè)編程時(shí)間700μs，即寫(xiě)完其余15片Flash的page0后，再回寫(xiě)第一片Flash的pagel，而第一片Flash的頁(yè)編程已結束，這樣則不會(huì )造成數據丟失。 視頻回放時(shí)要考慮Flash與ADV7175A之間的讀數速度匹配問(wèn)題。最壞情況下：ADV7175拾取數據時(shí)鐘是13．5 MHz如圖3所示。假設每個(gè)時(shí)鐘周期都是有效數據，Flash的讀數時(shí)鐘周期TR最小值為25 ns，即極限讀數速度為：fMAX=1／25 ns=40 MHz>13．5 MHz，滿(mǎn)足系統要求。但Flash的頁(yè)讀緩沖時(shí)間tMAX=20μs，即每讀取2 K字節需等待時(shí)間20μs(最大值)。要滿(mǎn)足數據的連續性，需在Flash和ADV7175之間建立緩沖模塊，則采用l KB的深度足以滿(mǎn)足系統要求。 2．2 多段記錄和選段播放 為了方便操作和觀(guān)察，系統具備選段播放功能，即在記錄時(shí)將不同時(shí)間段記錄的內容予以分段和標記；而在播放時(shí)保證每場(chǎng)圖像的各像素點(diǎn)要嚴格對齊，否則會(huì )造成圖像錯位。若要防止這種情況發(fā)生，可在記錄時(shí)在每場(chǎng)圖像數據前加一個(gè)字0xAA55作為場(chǎng)標志，由于每場(chǎng)圖像的數據量為320x240x2=153 600(字節)，在加入場(chǎng)標志后的數據流如圖4所示。這樣設計的優(yōu)點(diǎn)在于： (1)在快進(jìn)、快退播放時(shí)，Flash跳地址后可檢測該標志重新調整圖像，另外也為數據上傳后，上位機軟件播放提供方便。 (2)加入場(chǎng)標志可實(shí)現多段記錄。由于存儲時(shí)確保每段視頻數據的首字節都寫(xiě)入Flash_0的block_x(x表示block地址號)的page0的首地址，如圖2中‘·’。在上電后信息掃描時(shí)只需掃描Flash_0的各block中page0的前個(gè)字節，如果是0xAA和0x55則表明新記錄段，如果不是則再讀取后2個(gè)字節。如果連續4個(gè)block中page0的前4個(gè)字節都是0xFF，則表明已掃描所有段，此時(shí)應將段總數和存儲器的已用空間以及系統狀態(tài)信息等發(fā)送至單片機進(jìn)而送到LCD顯示。 2．3 ADV7175與FPGA的接口設計 CCIR一601標準規定，在數字編碼時(shí)，不使用A／D轉換的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，只給亮度信號分配220個(gè)量化級，黑電平對應于量化級16，白電平對應于量化級235，為每個(gè)色差信號分配224個(gè)量化級，色差信號的零電平對應于量化級128，如圖5所示。即每個(gè)樣本點(diǎn)亮度信號占220級，色度信號占225級。 由于紅外熱像儀提供的數據是16位灰度值而無(wú)色度值，所以應將ADV7175A的低8位(P7"P0)輸入0x80，具體電路連接如圖6所示，高8位輸入亮度信號，播放時(shí)需將16位的亮度信號轉換為8位再送入ADV7l75A。 3 FPGA邏輯設計 圖7為FPGA內部各邏輯功能模塊框圖。各模塊主要功能如下：RECV模塊根據紅外熱像儀提供的特定時(shí)序接收數據并編幀；Flash控制器控制16片Flash，用于掃描無(wú)效塊和記錄段，計算Flash已用空間和剩余空間及對Flash的擦除和讀寫(xiě)操作；信息記錄表負責記錄Flash控制器傳送的無(wú)效塊號及已記錄的段總數和各段的起始地址與結束地址；灰度調節模塊將16位的灰度圖像數據轉化為8位，因為ADV7175A最多可輸入8位灰度信息；PALl模塊控制ADV7175A；PAL2模塊生成原格式的行場(chǎng)時(shí)序，主要的控制信號是行同步信號(Hsync)和場(chǎng)同步信號(Vsync)；FIF01和FIF02作為數據緩沖模塊；TO一68013模塊可在系統與計算機通信時(shí)互換TO一68013A的數據；還可向68013A發(fā)送一些需要顯示的實(shí)時(shí)信息；鍵盤(pán)的掃描及按鍵的去抖則由鍵值處理模塊完成．最后由CPU模塊協(xié)調各子模塊工作。 4 結語(yǔ) 該系統采用FPGA作為主控制器，對于不同分辨率的紅外圖像數據，只需修改FPGA中的RECV模塊和PAL模塊程序即可，因此，該系統設計具有一定的靈活性。 |
