基于單片SRAM和FPGA的紅外圖像顯示的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展及其在軍事、工業(yè)等領(lǐng)域的廣泛使用，紅外圖像處理算法獲得了廣泛研究。在實(shí)際嵌入式紅外圖像處理系統(tǒng)中，為了方便硬件調(diào)試和觀察圖像處理的效果，需要在系統(tǒng)中加入圖像顯示模塊。通常視頻數(shù)據(jù)流需要處理的數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，所以需要高速大容量的存儲器作為圖像數(shù)據(jù)的緩存。用于圖像數(shù)據(jù)緩存的存儲器有3種：①同步動態(tài)隨機(jī)存取存儲器SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)，其容量大、速度快、體積小、價(jià)格低，但SDRAM的控制邏輯比較復(fù)雜，對時(shí)序要求也十分嚴(yán)格，需要設(shè)計(jì)專門的SDRAM控制器以完成與SDRAM芯片的接口；②雙口RAM，它可以同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，時(shí)序簡單，操作非常方便，但是容量相對較小，而且價(jià)格高；③靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM(Static RAM)，它不僅容量大、速度快、體積小、價(jià)格低，而且時(shí)序控制簡單，但是數(shù)據(jù)不能同時(shí)讀寫，工程中多采用2片SRAM做乒乓操作來簡化讀寫控制。針對實(shí)際工程中的體積小、成本低、開發(fā)周期短等要求，本文提出一種基于單片SRAM和FPGA的圖像處理及顯示方案，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。

本文的初始設(shè)計(jì)是面向幀頻為50幀/s、16 bit灰度、圖像為320×256像素的紅外圖像輸出顯示，但其設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用于不同幀頻、灰度級及圖像大小的圖像顯示。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)中，高速串行LVDS視頻信號經(jīng)Camera Link接收芯片DS90CR285接收轉(zhuǎn)化為并行TTL電平后送給FPGA，同時(shí)，其他系統(tǒng)的高速串行LVDS格式數(shù)據(jù)也可以直接送至FPGA。這些視頻數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，并存儲在SRAM中。然后，F(xiàn)PGA在存儲間隙讀出SRAM內(nèi)的有效像素?cái)?shù)據(jù)，并采用直方圖統(tǒng)計(jì)的參數(shù)對圖像灰度拉伸，然后送至視頻轉(zhuǎn)換芯片ADV7123進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換顯示。


2 各功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 Camera Link接口

本方案選用DS90CR285將Camera Link格式的4對串行LVDS圖像信號轉(zhuǎn)換成28 bit并行TTL/CMOS的數(shù)據(jù)。根據(jù)Camera Link基本協(xié)議，28 bit數(shù)據(jù)信號中包括3個(gè)數(shù)據(jù)端口：A口(8 bit)、B口(8 bit)、C口(8 bit)，和4個(gè)視頻控制信號FVAL(幀有效)、DVAL(數(shù)據(jù)有效)、LVAL(行有效)、SPARE(空，暫時(shí)未用)。經(jīng)過Camera Link芯片轉(zhuǎn)換后的時(shí)鐘信號是整個(gè)相機(jī)的同步驅(qū)動信號，所有的數(shù)據(jù)和視頻控制信號都和該時(shí)鐘信號同步。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送入FPGA的時(shí)序如圖2。


2.2 FPGA核心功能模塊實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中視頻數(shù)據(jù)的處理都在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部功能框圖見圖3。

本文主要討論在FPGA內(nèi)，利用視頻數(shù)據(jù)的行場掃描間隙對單片SRAM進(jìn)行讀寫操作從而完成模擬圖像的顯示功能。直方圖統(tǒng)計(jì)功能在另文中描述。

本系統(tǒng)中，視頻信號時(shí)鐘為20 MHz，PAL制式信號數(shù)據(jù)時(shí)鐘采用13.5 MHz。為了讓SRAM讀寫時(shí)間更加充裕，使用了兩個(gè)FIFO模塊作為數(shù)據(jù)緩沖：FIFO_IN、FIFO_OUT。FIFO_IN用來做SRAM的輸入緩沖器，F(xiàn)IFO_OUT用來做SRAM的輸出緩沖器。FIFO可以通過IP核來實(shí)現(xiàn)，存儲寬度為16 bit，存儲深度設(shè)置為1.5倍行像素，本系統(tǒng)為1.5×320＝480[1-2]。

2.2.1 FIFO_IN模塊

為保證數(shù)據(jù)讀寫效率，此模塊的讀寫方式需進(jìn)行合理規(guī)劃，具體為每次往FIFO中寫一行數(shù)據(jù)，寫完后立刻從FIFO讀一行數(shù)據(jù)并寫入SRAM。像素時(shí)鐘為FIFO的寫時(shí)鐘，行有效信號作為FIFO的寫使能，F(xiàn)IFO讀時(shí)鐘為100 MHz，也是SRAM的讀寫時(shí)鐘，通過判斷行下降沿來生成一個(gè)320的計(jì)數(shù)器，并在計(jì)數(shù)器有效期間將FIFO讀使能置為高。FVAL的上升沿作為FIFO的復(fù)位信號。此FIFO的讀寫時(shí)序圖見圖4。


2.2.2 FIFO_OUT模塊

此模塊主要是緩沖灰度拉伸后的視頻數(shù)據(jù)用于輸出顯示。本系統(tǒng)要求輸出標(biāo)準(zhǔn)的PAL制式的模擬視頻，PAL制式視頻場頻為50 Hz，幀頻為25 Hz。本方案選用專用的圖像DA芯片ADV7123， 該芯片是一款高速的RGB D/A轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部集成有3路10位精度的D/A轉(zhuǎn)換器，分別用于RGB數(shù)字信號的D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)吞吐率可達(dá)到330 MS/s，適合高分辨彩色視頻生成。ADV7123提供有3路數(shù)字輸入接口(RE9：0]、G[9：0]、B[9：0])以及CRT消隱和同步控制信號(BLANK、SYNC)。標(biāo)準(zhǔn)PAL制式的行場消隱信號和行場同步信號都是標(biāo)準(zhǔn)信號，在FPGA內(nèi)很容易實(shí)現(xiàn)，本文不再論述。實(shí)際應(yīng)用中只需要在需要顯示圖像的正確行場位置，將圖像灰度數(shù)據(jù)送入G[9：0]通道，即可在lOG端口得到復(fù)合視頻信號。同時(shí)這些正確行場位置標(biāo)志信號作為FIFO的輸出使能，輸出時(shí)鐘為13.5 MHz，輸入時(shí)鐘為100 MHz，輸入使能為灰度拉伸模塊的輸出數(shù)據(jù)有效信號，輸入數(shù)據(jù)為灰度拉伸模塊的輸出數(shù)據(jù)。FVAL的上升沿作為FIFO的復(fù)位信號。

2.2.3 SRAM讀寫控制模塊

SRAM作為視頻數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，根據(jù)上述時(shí)序其容量最好能大于2幀數(shù)據(jù)，同時(shí)為了便于以后擴(kuò)展，本方案中選用SRAM為CY7C1472BV33，容量為4 M×18 bit。由于SRAM屬于單向存儲器，利用單片SRAM作存儲的難點(diǎn)在于如何將讀寫控制分開。此控制包含2部分：讀寫使能和讀寫地址變換。下面分別從讀和寫來說明這2部分控制的實(shí)現(xiàn)。

FIFO_IN的讀使能作為SRAM的寫使能，寫地址在寫使能有效期間從SRAM的零地址依次遞增，即地址范圍為0～81 919(320×256-1)。但由于本系統(tǒng)中視頻信號20 ms一幀，PAL制式視頻顯示一幀需要奇場20 ms、偶場20 ms，共40 ms，所以在偶場顯示時(shí)還是在讀SRAM中0～81 919部分的數(shù)據(jù)，此時(shí)視頻信號必須寫入SRAM的另外一部分空間，這就要求在奇場和偶場時(shí)寫地址要進(jìn)行切換；或者采用在奇場時(shí)數(shù)據(jù)寫入SRAM，偶場時(shí)不寫入，這樣剛好做到顯示完一幀圖像，下一幀圖像數(shù)據(jù)就可以覆蓋上一幀圖像的數(shù)據(jù)，這樣寫地址就一直是從0～81 919，不需要切換。本方案采用后者，其寫使能及寫地址的FPGA主要代碼如下：

//SRAM寫使能
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | (sram_write_counter==319))
ui_sram_write = 0；
else if(LVAL_fallage)
ui_sram_write = 1；//SRAM寫地址切換
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | Hsync_odd_riseage)
ui_sram_write_add = 0；//起始地址
else if (ui_sram_write)
ui_sram_write_add = ui_sram_write_add + 1；

SRAM的寫使能設(shè)計(jì)要避免與SRAM的讀使能沖突。本方案在FIFO_OUT模塊上設(shè)計(jì)了一個(gè)可編程空標(biāo)志位program_empty，當(dāng)fifo數(shù)據(jù)不足160個(gè)時(shí)，program_empty置高，PAL制式視頻的行掃描周期為64μs，也就是FIFO_OUT每64 μs被讀一次(一次讀出320個(gè)數(shù))，這樣只要在64 μs時(shí)間內(nèi)能夠?qū)懭?20個(gè)數(shù)就可以保證下次行掃描能夠從FIFO_OUT取出數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)中SRAM的寫使能周期為16.5 μs，因此本方案是將SRAM讀狀態(tài)分2種情況，在FVAL信號有效期間，采用program_empty置高和SRAM的寫使能下降沿的“與”操作作為SRAM讀觸發(fā)信號；在FVAL信號無效期間，SRAM無寫控制，program_empty信號的上升沿將作為SRAM的讀觸發(fā)信號。然后根據(jù)讀觸發(fā)信號生成一個(gè)320的計(jì)數(shù)器，并在計(jì)數(shù)器有效期間將SRAM的讀使能置為高。這樣就能保證SRAM的讀寫不沖突，且數(shù)據(jù)也不會漏寫，控制時(shí)序見圖5。

PAL制式視頻顯示分為奇場和偶場，因此在奇場時(shí)，SRAM的讀地址應(yīng)該滿足：第n行地址范圍為320×(n－1)～319+320×(n－1)(n＝1，2……128)；偶場時(shí)，RAM的讀地址應(yīng)該滿足：第n行地址范圍320×n～319+320×n(n＝1，2……128)，其讀使能及讀地址的FPGA主要代碼如下：
//////// sram的讀標(biāo)志位有2種狀態(tài):(1)奇場數(shù)據(jù)有效時(shí)////用寫sram的下降沿‘與’fifo半行標(biāo)志位。(2)奇場數(shù)據(jù)無效時(shí)用 fifo半行標(biāo)志位產(chǎn)生上升沿
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n)
ui_sram_read_flag = 0；
else begin
if ((FVAL_d | ui_sram_write_5d) Hsync_odd )
ui_sram_read_flag = ui_sram_write_fallage
fifo_sram_adv7123_prom_empty_d；
else
ui_sram_read_flag=fifo_sram_adv7123_prom_empty_riseage；
end
//// SRAM讀地址切換
always @(posedge SRAM_CLK)
if (!rst_n | Hsync_odd_riseage)
ui_sram_read_add = 0；//奇場起始地址
else if (Hsync_odd_fallage)
ui_sram_read_add = 320；//偶場起始地址
else if (ui_sram_read_fallage)
ui_sram_read_add = ui_sram_read_add+320；
else if (ui_sram_read)
ui_sram_read_add = ui_sram_read_add+1；
最后通過下面的賦值給出了SRAM芯片的讀寫、片選及地址信號：
assign SRAM_read_write_en=～(ui_sram_write Hsync_odd)；
//SRAM讀寫使能
assign SRAM_CE=～(ui_sram_read | ui_sram_write)；
//SSRAM片選
assign SRAM_ADD=(ui_sram_write)?ui_sram_write_add:
ui_sram_read_add；//SSRAM地址

2.2.4 灰度拉伸

將SRAM的讀使能和讀數(shù)據(jù)送入灰度拉伸模塊作為數(shù)據(jù)使能和輸入數(shù)據(jù)。本方案中,圖像灰度線性拉伸算法表達(dá)式為：

式(1)中：Y是拉伸后輸出圖像灰度值；X是SRAM中讀出的數(shù)據(jù)，為原始圖像16 bit二進(jìn)制數(shù)灰度值；Xmin是輸入圖像數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)最小灰度值；Xmax是輸入圖像數(shù)據(jù)直方圖統(tǒng)計(jì)最大灰度值。為保證精度，實(shí)際應(yīng)用中將上述公式進(jìn)行簡單變換，可以記為：

Q值在上幀結(jié)束前直方圖統(tǒng)計(jì)模塊已經(jīng)得到，這樣拉伸運(yùn)算只需1次減法和乘法運(yùn)算，得到積左移14 bit后，截取低10 bit就得到拉伸后的灰度值。需要注意的是，截取前要判定乘法是否溢出，如果溢出，結(jié)果置為最大灰度值210。本方案中主要通過調(diào)用乘法器IP核來完成乘法運(yùn)算，不同硬件的乘法器延遲時(shí)間不同，所以必須要將輸入數(shù)據(jù)使能信號作相應(yīng)延遲后，成為輸出使能與乘法器輸出數(shù)據(jù)同步[3]。經(jīng)過灰度拉伸后的圖像數(shù)據(jù)送入FIFO_OUT模塊用于圖像顯示，其中，灰度拉伸模塊的輸出使能及輸出數(shù)據(jù)作為FIFO_OUT模塊的輸入使能和輸入數(shù)據(jù)。

該圖像處理方案以FPGA 作為核心控制芯片，采用單片SRAM實(shí)現(xiàn)了圖像預(yù)處理、數(shù)據(jù)緩存、圖像存儲及顯示的功能。隨著FPGA 性能的不斷提高及其靈活的可編程性，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)一步在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各種其他的圖像處理算法。這樣，直接采用FPGA和單片SRAM的方案不但減小了PCB 尺寸，降低了元件數(shù)量及PCB布線的難度，也降低了元件相互連線帶來的信號失真，從而增加了可靠性和穩(wěn)定性。本方案已成功應(yīng)用在本單位的圖像采集和處理產(chǎn)品中。