利用FPGA實現(xiàn)的一種機載高清視頻處理模塊
現(xiàn)代飛機座艙顯示技術(shù)的發(fā)展日新月異,需要顯示各種傳感器信息的數(shù)據(jù)已經(jīng)達到海量規(guī)模。飛行員在不同飛行時段獲得的信息也越來越多,為了使飛行員能夠在某特定的飛行時段認讀和處理更為精確的信息,并且各種傳感器信息融合在同一個坐標系中,因此需要研究機載環(huán)境中高清視頻處理技術(shù),研究在較大尺寸的顯示器上顯示處理高清視頻信號。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387118.htm高清視頻處理模塊位于顯示分系統(tǒng)中,加速顯示高清視頻信號,實現(xiàn)高清視頻的縮放和疊加。滿足了飛行員對大尺寸和高清晰視頻顯示的需求。模塊接收顯示命令和視頻數(shù)據(jù),將融合信息加速顯示到顯示器上,同時接收解碼兩路高清外視頻信號,在FPGA芯片中實現(xiàn)內(nèi)視頻和外視頻的運算處理,包括縮放和疊加,并且將處理后的視頻信息按照不同的要求輸出到顯示器上。
高清視頻處理模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
高清視頻處理模塊內(nèi)部包含圖形處理器,它接收顯示命令和數(shù)據(jù),加速渲染圖形畫面,輸出為高清視頻信號,在FPGA中運算融合外視頻信號,兩路分別輸出到外部顯示器上,視頻格式分別為高清LVDS和高清DVI。
高清視頻處理模塊主要功能電路包括圖形處理器電路、視頻疊加和縮放邏輯電路、編解碼電路和供電復(fù)位時鐘電路。模塊系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
高清視頻處理模塊硬件電路設(shè)計
圖形處理器電路
圖形處理器電路主要負責(zé)內(nèi)部高清視頻的生成和視頻輸出控制。它將繪圖數(shù)據(jù)和命令通過二維和三維圖形加速管線加速生成并且存儲在顯存中,輸出控制部件將顯存中的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)格式輸出視頻信號。
圖形處理器選用AMD公司的M9000芯片,該芯片支持高清視頻處理,支持二維和三維圖形硬件加速,OpenGL圖形接口標準,工作頻率高達250MHz,64MByte的顯存容量,兩路獨立的顯示輸出通道,可選擇LVDS、DVI、VGA、TV和并行LCD接口。本設(shè)計中,圖形處理器生成內(nèi)部視頻信號分辨率為1920×1080,刷新頻率為60Hz。
視頻疊加和縮放邏輯電路
視頻疊加和縮放邏輯電路包括FPGA和SRAM兩部分電路,完成內(nèi)視頻和外視頻的疊加運算和縮放。從FPGA的角度計算,其功能接口包括,一路高清內(nèi)視頻信號,由圖形處理器生成,兩路高清外視頻信號,經(jīng)過解碼器解碼后輸出到FPGA芯片中,一路高清DVI視頻輸出,對外輸出一路高清DVI信號,一路雙LVDS視頻輸出,滿足高清LVDS信號輸出到液晶顯示器上,最后是SRAM緩存部分,實現(xiàn)視頻信號緩存功能。
基于FPGA功能接口數(shù)量和模塊功耗的要求,本設(shè)計選擇XILINX公司的SPARTAN-6系列中的XC6SLX150-2FGG9001芯片。該片共有147443個邏輯處理單元,可使用的I/O管腳多達576個,邏輯資源相當豐富,能夠滿足高清視頻縮放和疊加功能對邏輯資源的需求。
SRAM存儲器用來緩沖視頻信息,它用觸發(fā)器存儲信息,觸發(fā)器在信息讀出后可以保持原有的狀態(tài),因此SRAM不需要再生。即使DRAM的集成度比SRAM高,并且功耗小,價格低,但是目前SRAM容量在增大,速度比DRAM高,時序控制比DRAM簡單。最重要的是SRAM作為存儲芯片比較穩(wěn)定,因此本設(shè)計選擇CYPRESS公司的SRAMCY7C1470BV33-167AXI作為視頻信號緩存。模塊采用6片SRAM,該芯片存儲容量為2 M×36 bits,3.3V供電,支持167MHz的總線操作,工作溫度為-40℃到+85℃,滿足視頻緩存的需求。
編解碼電路
編解碼電路由解碼電路和編碼電路組成。解碼電路主要完成兩路高清數(shù)字DVI視頻的解碼功能,將解碼后符合類VESA視頻時序的數(shù)字RGB信號傳輸?shù)紽PGA中。解碼電路采用兩片AD公司的ADV7162。該芯片為雙通道高清數(shù)字DVI解碼器,支持HDMI標準1.4a,具有可編程均衡器,每一個HDMI接口支持5V供電和熱插拔檢測,工作頻率高達225 MHz,工作溫度為-40℃到+85℃。
編碼器電路完成兩路視頻的編碼功能,分別將FPGA輸出的數(shù)字RGB視頻信號編碼轉(zhuǎn)換成一路雙LVDS信號和一路高清DVI信號。雙LVDS信號直接驅(qū)動液晶顯示器,物理鏈路共有2對差分時鐘線和8對差分數(shù)據(jù)線,它從FPGA接收并行數(shù)字RGB信號轉(zhuǎn)換成串行LVDS信號。該編碼器采用NI公司的DS90C387來完成雙LVDS信號的編碼和發(fā)送功能,該芯片支持單像素和雙像素兩種數(shù)據(jù)傳輸方式,能將48bit并行TTL數(shù)據(jù)(雙24位色像素)轉(zhuǎn)換成8對LVDS差分數(shù)據(jù)線,雙像素速率最高支持112MHz,能夠滿足1080p高清視頻的編碼和驅(qū)動傳輸?shù)囊蟆?/p>
另一路高清DVI信號同樣是從FPGA芯片接收并行數(shù)字RGB信號后編碼轉(zhuǎn)換而來,所承載的邏輯傳輸內(nèi)容和雙LVDS信號通路相同,不同的是它將并行數(shù)字RGB視頻編碼成串行差分的TMDS物理鏈路信號,編碼器采用AD公司的ADV7513,該芯片是一款高分辨率多媒體接口編碼器,支持DVI的v1.4協(xié)議,其并行發(fā)送時鐘高達165MHz,支持1080p的視頻編碼,滿足編碼格式和高清分辨率的要求。
供電復(fù)位時鐘電路
供電復(fù)位時鐘電路完成高清視頻處理模塊的電源設(shè)計、時鐘設(shè)計和系統(tǒng)復(fù)位功能。本模塊采用單+5V供電,需要輸入電流大約4安培,模塊內(nèi)部各個芯片需要1.2V、1.8V、2.5V和3.3V四種電壓,所有芯片沒有上電順序的要求,因此可以使用兩路開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片LTM4616實現(xiàn)。時鐘電路提供支持模塊需要的時鐘頻率,本設(shè)計中高清DVI解碼器需要28.63636MHz的時鐘頻率,圖形處理器和FPGA芯片需要25MHz和27MHz的時鐘頻率。這三種時鐘均由相應(yīng)頻點的晶振產(chǎn)生。
穩(wěn)定的復(fù)位電路是模塊穩(wěn)定工作的前提,本設(shè)計提供手動復(fù)位、上電復(fù)位和電源監(jiān)控。當這三種復(fù)位條件之一具備時,均會復(fù)位模塊。
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