基于FPGA的視頻采集顯示系統(tǒng)

摘要 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種基于FPGA的視頻采集顯示系統(tǒng)，包括視頻圖像的采集、處理與顯示3個(gè)部分。視頻圖像部分采用CCD攝像頭OV7670作為視頻數(shù)據(jù)的采集，利用在FPGA中構(gòu)建FIFO并配合SDRAM高速讀寫實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的高速緩存處理，使用FPGA中構(gòu)建的Nios Il嵌入式內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的控制以及視頻數(shù)據(jù)的TFT液晶實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統(tǒng)獲得了較好圖像采集、顯示效果。
關(guān)鍵詞 FPGA；視頻處理；TFT LCD；Nios II

隨著高品質(zhì)實(shí)時(shí)視頻顯示技術(shù)低，民用領(lǐng)域如天氣預(yù)報(bào)、資源探測、機(jī)器人視覺以及各種醫(yī)學(xué)圖像的實(shí)時(shí)分析；軍用領(lǐng)域如導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、戰(zhàn)場動(dòng)態(tài)分析等，均需要高質(zhì)量實(shí)時(shí)視頻顯示系統(tǒng)的支持。近年來低成本的FPGA(Filed Programmable Gate Array)不斷推陳出新，利用EDA工具對(duì)FPGA芯片進(jìn)行多樣性設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為電子設(shè)計(jì)的通用平臺(tái)，并逐步向支持系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。與專用集成電路相比，F(xiàn)PGA芯片
具有快速的定制性和高靈活性，擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。作為一個(gè)平臺(tái)，F(xiàn)PGA已適用于高性能低成本的視頻和圖像處理，尤其在圖像分辨率和幀率要求較高的場合。
設(shè)計(jì)采用CMOS圖像傳感器OV7670對(duì)外界圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)的初始化模塊對(duì)圖像傳感器輸出信號(hào)的格式進(jìn)行配置。根據(jù)其輸出信號(hào)的時(shí)序，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)采集單元。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換送到內(nèi)部配置的Nios II嵌入式內(nèi)核，Nios II嵌入式內(nèi)核將實(shí)現(xiàn)LCD顯示屏控制與視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于FPGA實(shí)現(xiàn)的視頻顯示系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要分為：視頻采集模塊、PLL鎖相環(huán)時(shí)鐘管理模塊、I2C總線模塊、FI FO視頻數(shù)據(jù)處理模塊、Nios II顯示控制模塊。系統(tǒng)中PLL負(fù)責(zé)為NiosII嵌入式內(nèi)核、外部SDRAM和OV7670攝像頭提供時(shí)鐘，系統(tǒng)通電后，F(xiàn)PGA首先從EPCS中讀取配置數(shù)據(jù)，完成自身程序加載，隨后對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻為攝像頭提供系統(tǒng)時(shí)鐘，然后通過I2C總線完成對(duì)OV7670攝像頭的配置。

配置完成后，OV7670將采集到的視頻數(shù)據(jù)輸出格式轉(zhuǎn)換成RGB565標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)及圖像時(shí)鐘送入FPGA進(jìn)行處理，并將處理后的圖像數(shù)據(jù)通過FIFO模塊暫時(shí)存儲(chǔ)在SDRAM中進(jìn)行緩沖，同時(shí)Nios II模塊讀取存放在SDRAM中的視頻圖像數(shù)據(jù)，按照TFT液晶顯示的時(shí)序、數(shù)據(jù)要求將視頻圖像數(shù)據(jù)送到TFT彩色液晶顯示屏上顯示。
1．1 FPGA選型
FPGA是該系統(tǒng)的核心，由于系統(tǒng)目前只是完成簡單的圖像處理，故FPGA選用Altera公司的低成本FPGA Cyclone II系列器件。Cyclone II系列器件簡介如表1所示。

Cyclone II器件采用90 nm工藝制造，它延續(xù)Cyclone的低成本定位，在邏輯容量、PLL、乘法器和I／O數(shù)量上都比Cyclone有了較大提高，應(yīng)用Cyclone II進(jìn)行圖像處理開發(fā)有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)低成本高性能，適應(yīng)圖像處理要求較高的需要。(2)豐富的內(nèi)嵌存儲(chǔ)器資源，適應(yīng)大量圖像數(shù)據(jù)存取的需要。(3)豐富的硬件乘法器，適應(yīng)圖像處理算法的需要。系統(tǒng)的FPGA選用開發(fā)板自帶的EP2C5Q208C8芯片。