數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控器中的多路轉(zhuǎn)接邏輯的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：本文主要介紹在視頻監(jiān)控板中多路視頻信號輸入情況下的數(shù)據(jù)緩存、信號格式轉(zhuǎn)換的設(shè)計，并用altera的cyclone器件實現(xiàn)的整個過程。包括簡單介紹視頻監(jiān)控器電路板的原理，此轉(zhuǎn)接邏輯在系統(tǒng)中的作用和地位，并詳細介紹了此邏輯用fpga設(shè)計實現(xiàn)的過程。

隨著科技的日新月異，視頻監(jiān)控市場也得到了飛速發(fā)展。視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場合。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，以及計算機、網(wǎng)絡(luò)以及圖象處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也有長足的發(fā)展。視頻監(jiān)控已經(jīng)滲透到教育、政府、娛樂場所、醫(yī)院、酒店、運動場館、城市治安等多種領(lǐng)域，視頻監(jiān)控服務(wù)器被稱為及手機以后另外一個極具市場開發(fā)前景的消費電子產(chǎn)品。

數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)器主要完成從攝像頭獲取的模擬信號到數(shù)字化壓縮后送到網(wǎng)絡(luò)的功能，其原理框圖如圖1所示。

由圖1所示，監(jiān)控器電路板主要由A/D芯片，F(xiàn)PGA多路轉(zhuǎn)接芯片，壓縮芯片，CPU等組成。其中本文要介紹的多路轉(zhuǎn)接邏輯的FPGA實現(xiàn)位于A/D芯片和壓縮芯片之間，由于FPGA內(nèi)部含有PLL模塊，所以跟FPGA連接的TW2804芯片的27m輸入時鐘可以由FPGA產(chǎn)生。

這里選用altera的cyclone系列的EP1C6Q240C8，其內(nèi)部有90k的存儲容量，6kLEBS，2個PLL，在后面的設(shè)計介紹中，將會講到整個設(shè)計用到了64k的存儲容量，1個PLL，大約4—5k左右的LEBS，所以選用此低成本的FPGA，可以完成此設(shè)計，而且基本上充分用到了內(nèi)部的大多數(shù)資源，加上此芯片的引腳有240個，能滿足外面的引腳連接，所以altera的EP1C6Q240C8成為此邏輯設(shè)計中最佳的選擇器件。

如圖1所示，A/D芯片接受來自四個攝像頭的四路模擬視頻信號，這里采用Techwell公司的TW2804芯片，此芯片支持四路視頻模擬信號的輸入，輸出是數(shù)字ITU-R BT.656格式的信號，時鐘是27m。。D1、D2、D3、D4信號的時序圖如圖2所示。

圖2

其中EAV和SAV分別為行尾和行頭標志信號，他們中間是行與行之間的空白信號，SAV后面的VALID有效時的信號為1440bytes的d1格式的有效視頻信號，總的這些信號加起來是視頻信號的一行信號，一幀視頻信號包括576行這樣的行信號，也就是有效的這種格式的一幀輸出視頻信號為1440*576bytes的信號，由于每一行信號中由兩個bytes來表示一個像素，所以這種d1格式一幀的像素為720*576分辨率。

FPGA轉(zhuǎn)接邏輯要實現(xiàn)的功能是要在顯示終端上同時顯示四路的視頻信號，也就是要顯示如圖3所示的視頻信號。

圖3

由于要在一個顯示終端上同時顯示四路信號，所以原來每一路信號的720*576分辨率要轉(zhuǎn)換為原來1/4的分辨率，即cif的格式，cif格式是352*288的分辨率，這樣四路cif格式的信號組合成如圖3所示的一個幀輸出到終端顯示出來。

因為在終端顯示上是要求四路視頻信號同步輸出的，也就是不允許出現(xiàn)其中一路信號已經(jīng)在顯示其上顯示出來了，但另外一路信號還沒有顯示出來也就是出現(xiàn)畫面上一部分是黑屏的情況，所以在這種情況下，需要把四路不同的視頻信號先用FPGA在sdram中緩存起來，當每一路信號都在sdram中都至少存滿一幀時就可以同步讀出，并通過FPGA內(nèi)部緩存組成如圖3所示的幀格式，然后輸出給壓縮芯片壓縮后由處理器控制輸出至網(wǎng)絡(luò)，這里的壓縮芯片選的是VWEB公司的VW2010。

至此，F(xiàn)PGA要實現(xiàn)的功能已經(jīng)非常清晰，首先把輸入的四路d1格式的信號分別轉(zhuǎn)換成四路cif格式的信號，然后把這四路信號分別緩存在sdram中，當sdram中每一路信號都至少存滿一幀時，同步讀出，讀出sdram到FPGA中后，經(jīng)過格式的重新組合，最后組成如圖3所示的信號格式輸出。其中數(shù)據(jù)在sdram中的緩存控制是最重要也是最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。下面詳細介紹此FPGA的邏輯設(shè)計與實現(xiàn)。

由上面的介紹可知，此FPGA主要有三方面的接口，與TW2804的輸入接口，與sdram的緩存接口，與VW2010的輸出接口。所以FPGA的內(nèi)部邏輯大致可以設(shè)計為如圖4所示。

圖4

下面對各個模塊分別進行介紹。
輸入格式轉(zhuǎn)換模塊的主要是完成四路信號從d1到cif格式的轉(zhuǎn)換，即從原來的720*576像素的分辨率轉(zhuǎn)換為352*288像素的分辨率。其轉(zhuǎn)換過程是把一幀中偶數(shù)行的數(shù)據(jù)全部去掉，把奇數(shù)行中的數(shù)據(jù)，按奇數(shù)列的順序一個隔一個的去掉，最后保留的數(shù)據(jù)就是原來1/4的數(shù)據(jù)。這個過程比較簡單，通過設(shè)計兩個行列計數(shù)器就能實現(xiàn)。其仿真圖如圖5所示。 

圖5

圖5所示為在奇數(shù)行時數(shù)據(jù)一個空一個的有效，在一行讀完后，下一行就都設(shè)為無效。

接下來是內(nèi)部輸入緩沖模塊，此模塊式用來控制與sdram控制相連接和進行數(shù)據(jù)緩存控制的模塊。其內(nèi)部邏輯圖如圖6所示。

如圖6所示，此模塊主要設(shè)置了四個FIFO。因為sdram只有一個數(shù)據(jù)通道，所以四路信號輸入時必須先進行內(nèi)部緩存才能無丟失的存儲于sdram中。所以此時要把FIFO的讀時鐘至少設(shè)為寫時鐘的四倍，這樣才能在FIFO沒有存滿時就能把每一路的信號從FIFO緩存中讀出到sdram中。

 由于sdram的數(shù)據(jù)是32位的，這里把四個FIFO也設(shè)為32位，所以在四路cif格式的信號進入FIFO之前要先用四個寄存器進行8/32的轉(zhuǎn)換。只要設(shè)置四個移位寄存器就可實現(xiàn)。

如圖5所示，cif格式的信號的輸入時鐘是27/2m的，由于FIFO是32位的，所以FIFO的讀時鐘要至少設(shè)成（8/32）*（27/2）*4=13.5m。

對于這里的FIFO的數(shù)據(jù)容量，把每個FIFO都設(shè)為256個深度，這樣就需要256*32=8k的容量，四個FIFO就需要8*4=32k的容量。所以在輸入緩沖中用到了FPGA中32k的存儲資源。

由于四路cif格式的信號是每隔704（352*2）bytes就會出現(xiàn)704個無效的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)是一行隔一行的有效的，而sdram需要讀寫兩個獨立的帶寬，所以可以把sdram的讀寫周期分別設(shè)為704個bytes的長度，這樣在704個有效數(shù)據(jù)到來的時候就給sdram控制器寫數(shù)據(jù)，而在704個無效數(shù)據(jù)到來時，就對sdram控制器讀數(shù)，這樣就解決了sdram只有一個數(shù)據(jù)通道的問題。

但是，由于sdram還有自刷新周期，而且對其控制的命令是有一定延時的，所以這里把sdram對數(shù)據(jù)的讀寫時鐘頻率再提高一倍，即由上面算得的13.5m提高到27m，對于cyclone系列的FPGA來說，這樣的邏輯是很容易跑到27m的時鐘頻率的。

數(shù)據(jù)從FIFO中讀出后，就要送入到sdram控制器中，sdram控制器可以由quartus的megacore產(chǎn)生，也可以根據(jù)需要自己設(shè)計，這里是自己設(shè)計的，sdram控制器的輸入輸出接口如圖7所示。 

如圖7所示，sdram控制器的左面為用戶接口，右面為sdram接口，用戶給sdram發(fā)出請求命令（cmd），當收到回應(yīng)信號（cmdack）時，sdram給用戶端發(fā)送或讀取數(shù)據(jù)。

這里用到的是64m的sdram，因為每一路cif格式的信號每幀數(shù)據(jù)是352*288個像素，即704*288=202752bytes，這里給每一路信號分配兩幀的地址空間。由于sdram有突發(fā)數(shù)據(jù)長度（burst length）和整頁（full page）兩種數(shù)據(jù)操作方式，而這里因為數(shù)據(jù)比較大，所以采用了full page的方式，這種方式是在讀寫命令有效后，即在時鐘控制下讀出整頁256個32bits的數(shù)據(jù)，這樣讀寫數(shù)據(jù)的效率就可以提高很多。

因為sdram中數(shù)據(jù)的寬度是32位的，而cif格式的信號是8位的，所以只需要給每路信號分配2*704*288/4=101376的地址空間。

如圖8所示為sdram控制器的讀寫時候的控制信號圖。

a

b

圖8

圖8中a為對sdram寫數(shù)據(jù)的命令，b為對sdram讀數(shù)據(jù)的命令，由圖可以看出，通過sdram控制器的轉(zhuǎn)換，在接收到回應(yīng)信號（cmdack）后，把讀寫命令分別轉(zhuǎn)換成了rasn，casn，wen控制指令。其中讀寫指令分別對應(yīng)如下。

寫數(shù)據(jù) ：rasn=1 ；casn=0 ；wen=0 ；
讀數(shù)據(jù) ：rasn=1 ；casn=0 ；wen=1 ；

數(shù)據(jù)從sdram讀出時，應(yīng)滿足每一路信號都至少在sdram中存滿一幀的條件。當可以同步讀出時，由于還是要四路讀出，所以在讀出端口還要設(shè)置四個FIFO，用來緩存數(shù)據(jù)，以進行信號的組幀。

這里把四個FIFO同樣設(shè)為32位寬度，256長度，所以這里總共也是用到了32k的存儲容量。加上上面sdram控制器輸入端用到的32k存儲容量，在整個FPGA中用到了64k的存儲容量，對于EP1C6Q240C8的90k存儲容量來說是足夠的而且利用率也是比較高的了。

輸出FIFO緩存后，就要把四路信號按照每一幀如圖3的格式輸出，也就是第一行的前一半的704bytes輸出第一路信號，后一半704個bytes輸出第二路信號，然后直到第289行開始，前一半的704bytes輸出第三路信號，后一半704個bytes輸出第四路信號，這樣最后在網(wǎng)絡(luò)顯示終端就可以在一個屏幕上看到如圖3所示的四幅圖像。

如圖9所示為在前兩行的數(shù)據(jù)輸出波形圖。 

由圖可知，第一和第二路的輸出FIFO分別在兩個rden信號下控制數(shù)據(jù)的讀出，而這兩個rden信號就是由計數(shù)器計數(shù)至704產(chǎn)生的，再另外設(shè)置一個行計數(shù)器，當此計數(shù)器計數(shù)至289時，輸出dout就換為第三和第四路信號的輸出FIFO。

到此為止，整個FPGA的設(shè)計大致完成。下面給出對此次設(shè)計以后可以擴展和改進的功能。

首先，因為這是四路的多路轉(zhuǎn)換緩沖，所以直接把它們固定組合起來送至網(wǎng)絡(luò)顯示于終端。如果需要支持更多路的視頻信號輸入進行多路轉(zhuǎn)換，例如輸入信號時8路或16路，那么送入網(wǎng)絡(luò)的時候就有一個組合的問題，即在顯示器上四幅圖像最終顯示視頻輸入的哪四幅。這在實際情況下也是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，例如在某個建筑物中安裝了8個攝像頭，在白天的情況下可能要監(jiān)視樓道內(nèi)的情況，而到晚上可能要監(jiān)視樓外門口的情況，這就需要在FPGA中進行一個選擇，所以，此時可以在FPGA中加入一個I2C從模塊，通過此模塊可以與處理器通信，在FPGA中設(shè)置一些寄存器，通過由I2C送來的不同的寄存器配置指令，就可以實現(xiàn)顯示器上圖像的實時切換。

其次，由于cyclone系列的產(chǎn)品存儲容量比較有限，如果要增加到16路這樣的規(guī)模，輸入輸出緩沖的存儲容量必將不夠，所以此時可以考慮用cyclone2系列的產(chǎn)品。

另外，如果以后要完成路數(shù)比較多的轉(zhuǎn)接，可以在監(jiān)控器板上多加幾塊TW2804和VW2010芯片,這樣就需要FPGA的輸入輸出引腳要足夠多,而EP1C6Q240C8這樣的FPGA芯片有240個引腳,足夠擴展需要。
總之，在這樣的轉(zhuǎn)接邏輯中用到altera的cyclone系列低成本的FPGA產(chǎn)品，充分利用了其現(xiàn)有的內(nèi)部資源，而且價格也是非常的易于接受，是非常理想的選擇。