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隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現代戰爭條件的變化，傳統圖像信號提供的單一服務(wù)已遠遠不能滿(mǎn)足現代戰爭的需要。圖像信號由于包含有極其豐富的信息，具有通信效率高、便于記錄、形象逼真、臨場(chǎng)感強等特點(diǎn)，所傳送的信息量遠遠超過(guò)其他通信手段，所以得到越來(lái)越多的重視。在JPEG2000系統下，視頻采集系統是視頻采集功能的FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)前端系統，是視頻圖像處理、應用的前項通道。作為視頻采集系統的重要組成部分I2C(Inter Integrated Circuit)總線(xiàn)，早在20世紀80年代由荷蘭Philips公司研制開(kāi)發(fā)成功。它是一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)硬件接口。 1 I2C總線(xiàn)的特點(diǎn)和協(xié)議 I2C總線(xiàn)協(xié)議作為一個(gè)串行總線(xiàn)標準，盡管沒(méi)有并行總線(xiàn)的數據吞吐能力，但是它的特點(diǎn)和協(xié)議使其有著(zhù)廣泛的應用。其特點(diǎn)和協(xié)議主要有： 只需兩條總線(xiàn)即串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)和串行數據線(xiàn)(SDA)，使得IC引腳數目降低；且連接到總線(xiàn)的器件都是惟一地址、從節點(diǎn)關(guān)系軟件設定地址，主節點(diǎn)可以發(fā)送或者接收數據。是真正的多主總線(xiàn)，當兩個(gè)或更多主節點(diǎn)同時(shí)初始化數據傳輸時(shí)，可以通過(guò)沖突檢測和仲裁防止數據被破壞。串行的8位雙向數據傳輸速率在標準模式下可達100 Kb／s，快速模式下達400 Kb／s，高速模式下達3．4 Mb／s，連接到相同總線(xiàn)的IC數量只受到總線(xiàn)的最大電容(400 pF)限制。片上的濾波器可以濾去總線(xiàn)數據線(xiàn)上的毛刺波，保證數據完整。 一般在總線(xiàn)不忙的情況下，數據傳送才能開(kāi)始，在數據傳送期間，無(wú)論何時(shí)時(shí)鐘線(xiàn)為高，數據線(xiàn)必須保持穩定，而且數據線(xiàn)和時(shí)鐘都必須保持為高電平。當時(shí)鐘線(xiàn)為高時(shí)，數據線(xiàn)的變化將認為是傳送的開(kāi)始或停止，在這里，數據線(xiàn)由高到低的變化決定開(kāi)始條件。而且數據線(xiàn)由低到高的變化決定停止條件。在滿(mǎn)足開(kāi)始條件后，串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)為低電平期間，串行數據線(xiàn)(SDA)允許發(fā)生變化，但每位數據需一個(gè)時(shí)鐘脈沖，當串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)為高電平時(shí)，串行數據線(xiàn)(SDA)必須穩定，不能發(fā)生任何變化。主控器在應答時(shí)鐘脈沖高電平期間釋放串行數據線(xiàn)(SDA)線(xiàn)高，轉由接收器控制。受控器在應答時(shí)鐘脈沖高電平期間必須拉低串行數據線(xiàn)(SDA)線(xiàn)，使穩定的低電平作為有效應答。 2 系統結構設計 現有一些可編程視頻輸入處理芯片，如：SAA7111，它的配置是通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現的，這種總線(xiàn)接口協(xié)議解決了設計數字控制電路時(shí)所遇到的許多接口問(wèn)題，大大降低了視頻輸入處理部分的設計難度。因此，它被廣泛應用于視頻桌面系統、圖像多媒體、數字電視、圖像處理、視頻電話(huà)和音頻等領(lǐng)域。SAA7111芯片作為視頻的輸入處理部分，用來(lái)實(shí)現模擬輸入視頻信號的數字化。系統上電時(shí)，FPGA首先從外部配置芯片中讀取配置數據，進(jìn)入工作模式狀態(tài)。隨后I2C配置模塊完成對SAA7111的初始化。初始化結束后，FPGA等待采集圖像的命令，FPGA收到采集命令后，視頻信號將進(jìn)入視頻解碼器SAA7111進(jìn)行A／D轉換，以將模擬信息變成標準的YUV數字圖像信息。系統功能框圖如圖1所示。 3 I2C總線(xiàn)的實(shí)現方法 在對I2C總線(xiàn)設計中，通過(guò)SAA7111上的I2C接口對其工作方式寄存器進(jìn)行設置實(shí)現其功能。SAA7111是一款功能強大的模擬前端和數字視頻譯碼器，常應用在嵌入式視頻應用的高度集成的電路中。內部包含兩路模擬處理通道，能實(shí)現視頻源的選擇、抗混疊濾波、A／D轉換、自動(dòng)嵌位、自動(dòng)增益控制、時(shí)鐘產(chǎn)生、多制式解碼以及亮度、對比度和飽和度的控制，從而將PAL，NTSC等不同制式的模擬復合視頻數據解碼成亮度、色度和相關(guān)同步的數字信號。SAA7111內有32個(gè)寄存器(SLLbaddress00～1FH)，其中22個(gè)是可編程的。其中，OOH，1A～lCH，lFH是只讀寄存器。00H描述的是芯片版本信息；1A～1CH是文本信息檢測和解碼寄存器，一般很少用到；lFH用來(lái)描述芯片的狀態(tài)。02H～12H是可讀／寫(xiě)寄存器，其中：02H～05H是模擬輸入控制寄存器，02H用于設置模擬視頻信號輸入方式(共8種)；03H～05H用于設置增益控制方式；06H～12H主要用于設置解碼方式，通過(guò)配置這些寄存器可以設置行同步信號的開(kāi)始和結束位置，并可確定亮度、色度、飽和度的大小以及輸出圖像數據信號的格式。01H，13H～19H，1DH～1EH寄存器保留使用。 由于SAA7111加電復位之后，各寄存器處于不確定狀態(tài)，因此需要采用I2C總線(xiàn)協(xié)議由FPGA作為主方對SAA7111的相關(guān)寄存器進(jìn)行設置。從SAA7111的四個(gè)模擬輸入端AIll，AI12，AI21，AI22的某一引腳輸入的視頻圖像信號經(jīng)模擬處理后，一路可通過(guò)緩沖器輸出到AOUT端用于監視，另一路經(jīng)A／D轉換器后則產(chǎn)生數字色度信號和亮度信號。在分別進(jìn)行亮度信號處理和色度信號處理后，其亮度信號處理結果的一路將送到色度信號處理器進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生的Y和UV信號經(jīng)格式化后從VPO(16位)輸出；另一路則進(jìn)入同步分離器，并經(jīng)數字PLL產(chǎn)生相應的行和場(chǎng)同步信號HS和VS。同時(shí)，PLL將驅動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，以產(chǎn)生HS鎖定的時(shí)鐘信號LLC和LLC2，SAA7111的所有功能均是在I2C總線(xiàn)控制下完成的。SA-A7111相應的寄存器初始化值見(jiàn)表1。 I2C總線(xiàn)控制讀／寫(xiě)操作過(guò)程如表2、表3所示(S：開(kāi)始，Sr：重開(kāi)始，P：停止，-S：從設備，-M：主設備，W：寫(xiě)位，R：讀位)： 在設計中主要實(shí)現以下四種功能：開(kāi)始條件功能、字節發(fā)送功能、應答條件功能和停止條件功能。四種功能信號的時(shí)序和數據總線(xiàn)傳遞如圖2、圖3所示。 為了完成上述要求和功能，本文采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)邏輯的方法來(lái)模擬I2C總線(xiàn)接口時(shí)序邏輯，配置數據可以由主機發(fā)送，也可以預先存放，同時(shí)用VHDL編寫(xiě)時(shí)序邏輯對SAA7111進(jìn)行初始化配置。根據設計要求，在不同的進(jìn)程下對串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)和串行數據線(xiàn)(SDA)進(jìn)行設計。時(shí)鐘信號源采用10 MHz的晶振，分頻后作為進(jìn)程激勵信號，基本能夠滿(mǎn)足SAA7111芯片的數據率要求。但如果在一些更高速的情況下，需要快速通過(guò)I2C總線(xiàn)對被控器件進(jìn)行設置，這里只需將行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL)和串行數據線(xiàn)(SDA)的頻率進(jìn)行修改即可，其接口控制如圖4所示。 4 設計仿真結果 設計中利用QuartusⅡ集成環(huán)境采用VHDL語(yǔ)言實(shí)現了I2C總線(xiàn)對SAA7111中集成的symbol進(jìn)行實(shí)驗仿真。reset信號為外接復位信號，時(shí)鐘信號根據需要外接所需頻率時(shí)鐘信號(clk)，并根據要求對信號進(jìn)行16分頻作為進(jìn)程激勵信號(clkin)。對于上述初始化數據，仿真波形如圖5所示仿真結果輸出正確后，配置與電路設計相符的入／輸出引腳。根據測試結果，該設計可以穩定可靠地對SAA7111進(jìn)行參量控制，如果需要修改只需更換程序中參量，再次編譯下載即可。 5 結語(yǔ) 該設計在視頻采集處理系統中已得到應用，I2C總線(xiàn)接口數據采集正確、穩定，并且在實(shí)現過(guò)程中，占用資源少，僅為總資源的40 ％。核心器件與圖像數據采集芯片配合使用，節省核心處理芯片的通用I／O接口，使系統整體電路十分簡(jiǎn)潔、可靠性高、集成度高、接口方便等優(yōu)點(diǎn)。 |
