基于XC3S200的通用視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

視頻采集的主流實(shí)現(xiàn)方案有兩種：一是基于ASIC，該方案一般采用意法、AMD等公司的專用視頻處理芯片；二是基于DSP，主要采用TI、ADI等公司的DSP信號(hào)處理器。它們作為輔處理器，可在主CPU控制下進(jìn)行視頻信號(hào)的采集壓縮。隨著FPGA的發(fā)展，通過(guò)SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集已成為一種易于開發(fā)、設(shè)計(jì)靈活的方案。而這主要得益于IP復(fù)用技術(shù)的發(fā)展。在FPGA上構(gòu)建復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)可利用既有的功能模塊及其驅(qū)動(dòng)程序。該方案具有更大的集成度和靈活性，因而必將成為電子設(shè)計(jì)發(fā)展的一大趨勢(shì)。

本文介紹了采用Xilinx公司的Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)通用視頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)外接模擬PAL／NTAL制式的攝像頭，就能實(shí)時(shí)采集視頻信號(hào)并進(jìn)行MPEG-4格式壓縮編碼，碼流可通過(guò)USB接口傳給PC機(jī)，或通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。本系統(tǒng)選用的是Spartan-3 FPGA系列的XC3S200芯片，該芯片有4320個(gè)邏輯單元(LC)、216Kbit BlockRAM、4個(gè)數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DDL)、173個(gè)用戶I／O，而且邏輯密度高、I／O多、成本低。本設(shè)計(jì)主要涉及電路板級(jí)硬件設(shè)計(jì)、FPGA片級(jí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

1 板級(jí)硬件設(shè)計(jì)

FPGA在電源和配置電路的支持下，即可構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的最小化系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)片內(nèi)的所有功能。在此最小化系統(tǒng)上，就可以根據(jù)本設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求，來(lái)擴(kuò)展外部存儲(chǔ)模塊、視頻采集模塊、USB接口模塊、以太網(wǎng)接口模塊等功能模塊電路，從而形成電路板級(jí)硬件平臺(tái)。該板級(jí)硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

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1.1 最小化系統(tǒng)

該FPGA是基于SRAM存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的器件。每次上電時(shí)可將配置數(shù)據(jù)從外部配置存儲(chǔ)器加載到內(nèi)部SRAM中，以使其構(gòu)建邏輯結(jié)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)邏輯功能。配置調(diào)試模塊主要包括配置存儲(chǔ)器、配置模式跳線開關(guān)和JTAG調(diào)試端口，其中JTAG調(diào)試端口是系統(tǒng)開發(fā)階段PC機(jī)與FPGA的通信接口，可用于從PC機(jī)下載FPGA配置數(shù)據(jù)，并在程序調(diào)試階段作為聯(lián)機(jī)接口。本設(shè)計(jì)采用Xilinx公司Platform. Flash系列配置存儲(chǔ)器XCF02S，并采用14針JTAG接口。模式跳線開關(guān)可決定FPGA是由JTAG還是由配置存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行配置。系統(tǒng)時(shí)鐘模塊可對(duì)XC3S200提供50 MHz高頻時(shí)鐘信號(hào)，它采用高穩(wěn)定性的石英晶體振蕩器分立元件。電源管理模塊采用DC／DC變換器來(lái)為系統(tǒng)各元件提供需要的各種電壓電流。以上部分與FPGA芯片相連即可構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)工作的最小化系統(tǒng)。

1.2 外部存儲(chǔ)擴(kuò)展

由于XC3S200的片內(nèi)存儲(chǔ)容量有限且掉電即失，因此必須配置大容量的外部?jī)?chǔ)存器。本設(shè)計(jì)擴(kuò)展了4MByte的flash和32MByte的SDRAM (包括一片AMD公司的AM29LV320DT90EC型Flash和兩片HYNIX公司的HY57V281620HCT-PI型SDRAM)。其中Flash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)。而SDRAM掉電數(shù)據(jù)即失，但其存取速度大大高于Flash且可讀可寫，因而在系統(tǒng)中用作程序的運(yùn)行空間、臨時(shí)數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)等。

1.3 視頻采集模塊

TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗的高性能混合信號(hào)視頻解碼芯片，可自動(dòng)識(shí)別NTSC／PAL／SECAM制式的模擬信號(hào)，并將其按照YCbCr4：2：2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后以8位內(nèi)嵌同步信號(hào)的ITU-RBT.656格式輸出。TVP5150具有價(jià)格低、體積小、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。FPGA對(duì)TVP5150芯片的操作是通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)傳輸連接方式采用最簡(jiǎn)單的ITU-RBT.656方式。

1.4 USB接口模塊

USB接口模塊選用PHILIPS公司的高性能USB接口芯片PDIUSBD12。該芯片完全符合USB1.1規(guī)范，可支持DMA傳輸，并可通過(guò)高速8位并行接口和FPGA進(jìn)行通信，其最高并行接口速率可達(dá)到2 MB／s。

1.5 以太網(wǎng)接口模塊

該模塊采用Realtek公司生產(chǎn)的高度集成的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS。RTL8019AS支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)和8位或16位數(shù)據(jù)總線。其內(nèi)置16KB的SRAM可用于收發(fā)緩沖。在全雙工模式時(shí)，其收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps。RTL8019AS可支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自動(dòng)檢測(cè)所連接的介質(zhì)。本設(shè)計(jì)采用RTL8019AS跳線接口模式，并通過(guò)16位數(shù)據(jù)總線連接FPGA。

2 片級(jí)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在Spartan-3上構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)是MicroBlaze IP核。這是一種用硬件描述語(yǔ)言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的32位微處理器，采用RISC指令集和Ha rvard體系結(jié)構(gòu)?？筛鶕?jù)不同的外設(shè)和存儲(chǔ)器配置進(jìn)行定制，并可以針對(duì)應(yīng)用來(lái)調(diào)整處理器系統(tǒng)架構(gòu)。在Spartan-3系列芯片上進(jìn)行該配置大約占用500 Slices。該IP核具有32個(gè)32位通用寄存器和2個(gè)專用寄存器。其32位寬的指令系統(tǒng)能支持3個(gè)操作數(shù)和兩種尋址方式，而其獨(dú)立的32位指令和數(shù)據(jù)總線則可與IBM的OPB總線完全兼容。通過(guò)模塊中的LMB總線，其32位指令和數(shù)據(jù)可直接與片內(nèi)的塊存儲(chǔ)器相連。此外，該IP核還具有高速的指令和數(shù)據(jù)緩存(Cache)、三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)、32位地址總線、硬件調(diào)試邏輯、8個(gè)輸入和8個(gè)輸出的快速鏈路(FSL)接口等。MicroBlaze軟處理器的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。