基于FPGA技術的紅外實時采集系統(tǒng)設計

摘要：介紹了一種基于FPGA技術的紅外視頻采集系統(tǒng)組成架構，給出了各功能模塊的實現方法，包括主要的HDL代碼、SignaltapII波形以及QuartusII頂層原理，并制作電路板進行調試，最終的紅外圖像通過VGA實時顯示。結果表明該系統(tǒng)能充分利用FPGA技術的優(yōu)勢，具有擴展性好、控制靈活、開發(fā)周期短等特點。

1 系統(tǒng)架構

紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)的FPGA部分由5個模塊組成，分別是I2C配置模塊、圖像采集模塊、YUV2RGB模塊、SRAM控制模塊、VGA控制模塊。配置模塊通過I2C總線來對ADV7181B芯片進行配置。配置成功后，ADV7181B將產生圖像采集模塊所需的行場同步信號，并將紅外攝像頭輸入的復合視頻信號轉化為標準的NTSC／PAL制式，輸入到圖像采集模塊；圖像采集模塊用來提取YUV(BT656)圖像中的有效數據；YUV2RGB模塊將YUV圖像數據轉化為RGB格式以供VGA顯示；VGA控制模塊用來產生D／A芯片(ADV7123)工作的同步信號、圖像數據，以及控制圖像數據從SRAM中讀出。紅外視頻監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 I2C配置模塊

ADV7181B是Analog公司的一款應用廣泛的視頻解碼芯片。該芯片自動監(jiān)測輸入的復合視頻信號，通過I2C總線配置接口，可選擇圖像輸出方式(NTSC／PAL等)，本文以輸出NTSC制式視頻圖像為例，給出了所需配置的寄存器地址和配置參數值，NTSC制式視頻圖像寄存器地址和配置參數值如表1所列。

ADV7181B芯片作為I2C總線通信的從器件，其ALSB引腳電平的高低所對應的器件地址是不同的，從器件讀寫地址如表2所列，本系統(tǒng)將ALSB引腳接地，寫地址設置為0x40，所有地址代碼用十六進制表示。

2．2 圖像采集模塊

NTSC默認輸出的圖像為奇偶場交替輸出，數據信號和行場同步信號時序關系如圖2所示。奇偶場分別有253有效行，本文獲取其偶數場圖像用于傳輸和顯示。BT．656定義了一個并行的硬件接口，傳輸的視頻圖像格式為YCbCr 4：2：2(Y為亮度信號，Cb、Cr分別為藍色信號分量和紅色信弓分量)。一行圖像數據的有效像素為720，一個像素占用兩個字節(jié)，格式為CbYCrYCbYCrY。本文采用每兩個像素即每輸出CbYCrY獲取一組CbYCr，這一組數據通過移位寄存器得到3路8位的并行數據送入YUV2RGB模塊，此時有效像素被壓縮成360個。720×525的圖像數據通過本模塊的采集，可傳送的有效像素為360×253。

一行圖像數據的起始／結束(SAV／EAV)和所在數據幀的位置是根據BT656圖像格式(即根據檢測到的ADV7181B輸出數據序列“FF，00，00．xy”)來判斷的。奇數場的有效行起始時xy為0xC7，結束時xy為0xDA；偶數場的有效行起始時xy為0x80，結束時xy為0x9D。xy各位含義如表3所列。最高位bit7為同定數據1，F=0表示偶數場，F=1表示奇數場；V=0表示該行為有效視頻數據，V=1表示該行無有效視頻數據；H=0表示為SAV信號(行起始)，H=1表示為EAV信號(行結束)；低4位為保護信號。

圖3為SignaltapII觀測到的圖像數據采集時序。hactive_even高電平期間為有效圖像數據采集階段，yuvdin為從ADV7181B輸出的8位并行圖像數據．當“FF 0000 ε0”到來時，開始采集偶數場圖像的一行有效像素，其中黑線分隔的reg1、reg2、reg3為提取的3路即將送入RGB轉化模塊的圖像數據。

2．3 YUV2RGB轉化模塊

VGA顯示器所需的圖像數據為RGB格式，所以需要對YCrCb進行轉化，轉化公式如下：
R=1．1 64(Y-16)+1．596(Cr-128) (1)
G=1．164(Y-16)-0．81 3(Cr-128)-0．392(Cb-128) (2)
B=1．1 64(Y-16)+2．017(Cb-128) (3)
浮點運算需要大量的FPGA資源，進而影響系統(tǒng)性能，本系統(tǒng)采用查找表來簡少FPGA運算量，將上式中5個不同的系數分量分別編寫查找表。為進一步簡化運算將(1)式兩邊乘以2，以式(1)為例，查找表如下：

設a=2×1．1 64Y．b=2×1．596Cr式(1)簡化為：2R=a+b-446。若(a+b)>446，則R分量值為(a+b446)／2；若(a+b)<446，則R分量值為0。
同理可算出G、B分量，即完成了YCrCb到RGB的轉化。由于SRAM數據線為16位，各取3路8位RGB分量的R信號(5位)，G信號(6位)，B信號(5位)寫入SRAM。當RGB_wrdata為非零圖像數據時，將其寫入SRAM即實現了分辨率由720×525向360×250的轉化。