基于FPGA機(jī)載實(shí)時視頻圖形處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要 給出了某機(jī)載實(shí)時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案，以XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)了對DVI及PAL等多種格式視頻信號的解碼、實(shí)時處理以及輸出。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡潔，具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。文中介紹了系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)，論證了視頻編解碼模塊和視頻緩存模塊的硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠流暢地對1 600×1 200分辨率，60幀／s刷新率，24位真彩色的高清視頻進(jìn)行處理，對1幀高清視頻的處理時間最長不超過3 ms，具有較高的實(shí)時性能。
關(guān)鍵詞 實(shí)時視頻圖形處理；嵌入式硬件設(shè)計(jì)；FPGA

隨著科技的高速發(fā)展，飛機(jī)對機(jī)載電子系統(tǒng)提出了越來越高的要求，飛機(jī)性能的改善在很大程度上依賴于機(jī)載電子系統(tǒng)性能的提升。在飛行器機(jī)載電子系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)是飛機(jī)與飛行員進(jìn)行人機(jī)交互的橋梁，它將各種飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實(shí)時讀取這些信息，從而做出判斷。
文中設(shè)計(jì)了某機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路部分，視頻圖形處理系統(tǒng)是機(jī)載顯示系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于在機(jī)載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA為核心處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實(shí)現(xiàn)了對高清視頻的縮放、格式轉(zhuǎn)換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實(shí)時性。

1 系統(tǒng)概況
1．1 系統(tǒng)需求
機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點(diǎn)陣式字符信號，進(jìn)行視頻格式的轉(zhuǎn)換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號。
系統(tǒng)接收PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，數(shù)字視頻接口)制式的視頻信號和．PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express，擴(kuò)展外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn))視頻信號，對視頻進(jìn)行縮放、格式轉(zhuǎn)換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。
1．2 總體方案設(shè)計(jì)
結(jié)合系統(tǒng)需求，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案為：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，利用其強(qiáng)大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應(yīng)的外部電路，構(gòu)建出一個靈活、簡潔、可靠的機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX707T中內(nèi)嵌的Power PC 440硬核處理器，在該處理器上移植美國風(fēng)河公司的Vxworks操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)和PCI-E等接口，并在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的圖形操作及視頻處理API(Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口)函數(shù)，用戶的應(yīng)用程序通過調(diào)用API函數(shù)來構(gòu)建最終的視頻輸出。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2．1 硬件整體架構(gòu)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的。處理器內(nèi)置主頻550 MHz的PowerPC440內(nèi)核、PCI-E端點(diǎn)和以太網(wǎng)等模塊。系統(tǒng)硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。