基于FPGA的高速多路視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：針對同時處理高速多路視頻數(shù)據(jù)的需求，以NiosIl軟核CPU為核心，通過在FPGA上構(gòu)建可編程片上系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)，利用SOPC系統(tǒng)自定義外設(shè)接口，配合DMA技術(shù)，完成對A／D轉(zhuǎn)換后的多路視頻數(shù)據(jù)的同時解碼采集。視頻解碼模塊采用滑動窗法快速檢測定時基準(zhǔn)信號。FPGA可重構(gòu)的特性可以使系統(tǒng)根據(jù)實際應(yīng)用需要在原方案基礎(chǔ)上擴(kuò)展、裁減功能模塊，并根據(jù)資源情況重構(gòu)系統(tǒng)，達(dá)到資源與效率的最優(yōu)匹配。
關(guān)鍵詞：FPGA；Nios；IP核；多路數(shù)據(jù)采集；視頻解碼

引言
數(shù)字圖像處理技術(shù)廣泛地應(yīng)用在信息處理領(lǐng)域，如何高效、靈活地將現(xiàn)實世界圖像數(shù)字化是信息處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于FPGA技術(shù)設(shè)計了一個高速多路視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；贏ltera Cyclone II芯片，構(gòu)建一個集成NiosII軟核處理器、存儲器、I／O接口、自定義外設(shè)的可編程片上系統(tǒng)系統(tǒng)(System On Programmable Chip，SOPC)。利用FPGA高速并行處理能力，可同時對多路視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻解碼，大大提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前端的處理能力。
SOPC系統(tǒng)是可編程片上系統(tǒng)，由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能，同時具有靈活的可重構(gòu)特性。可根據(jù)實際應(yīng)用中的不同需求裁剪、擴(kuò)充、升級系統(tǒng)，并且軟硬件系統(tǒng)均可編程。NiosII軟核CPU的外設(shè)可由設(shè)計者自由配置，具有靈活且運行速度快的特點。

1 系統(tǒng)功能及特點
1．1 功能描述
本文所提出的系統(tǒng)以Altera公司CycloneII系列的EP2C70為核心，通過外接擴(kuò)展板接入視頻信號，可同時采集處理2～6路視頻數(shù)據(jù)，將視頻數(shù)據(jù)解碼后提取出圖像區(qū)域的RAW DATA。SOPC系統(tǒng)通過自定義FIFO接口緩存數(shù)據(jù)，利用DMA技術(shù)將視頻數(shù)據(jù)搬移至存儲區(qū)域，供后續(xù)程序調(diào)用。
1．2 系統(tǒng)特點
本系統(tǒng)主要具有以下特點：
①采用硬件描述語言編寫的視頻解碼模塊可以高效地完成視頻編解碼工作，如果接入的視頻信號編碼格式不同，可以靈活重構(gòu)每路視頻的解碼模塊，而不需要修改硬件設(shè)計。
②NiosII軟核CPU可以靈活地進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，配合Nios IDE軟件編程環(huán)境，可以方便的對視頻A／D采集芯片進(jìn)行I2C總線配置。
③自定義FIFO接口緩存視頻數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)連貫性和準(zhǔn)確性，F(xiàn)IFO的緩沖區(qū)的長度和數(shù)據(jù)寬度均可以定制，針對每一路視頻數(shù)據(jù)格式配置不同的FIFO緩沖區(qū)。
④采用DMA技術(shù)完成采集數(shù)據(jù)從SOPC外設(shè)到內(nèi)存的搬移，減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

2 實現(xiàn)原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．1 系統(tǒng)總體框架
整個系統(tǒng)主要分為SOPC系統(tǒng)、多路視頻解碼模塊、視頻A／D芯片絹、SDRAM存儲器幾大模塊。SOPC系統(tǒng)和多路視頻解碼模塊均由FPGA可編程邏輯資源實現(xiàn)。SOPC系統(tǒng)通過自定義FIFO(Custom FIFO)緩沖來自多路視頻解碼模塊(Multi-channel Video Decoder Module)的數(shù)據(jù)，DMA完成數(shù)據(jù)從Custom FIFO到SDRAM的搬移工作，NiosII CPU通過Avalon總線對視頻A／D采集芯片、自定義FIFO接口模塊以及DMA控制器進(jìn)行配置。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。