用FPGA實(shí)現(xiàn)高速大圖像采集系統(tǒng)

中國(guó)船級(jí)社規(guī)定從2004年開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)和國(guó)際航行的船舶中都必須安裝船載航行數(shù)據(jù)記錄儀，其中船載雷達(dá)圖像記錄儀是很重要的一部分，船載雷達(dá)圖像按vga圖像標(biāo)準(zhǔn)輸出，其分辨率在640×480－1280×1024之間，刷新率在60－85hz之間。目前常見(jiàn)的圖像采集系統(tǒng)多是針對(duì)復(fù)合視頻信號(hào)的采集，或者是針對(duì)ccd圖像信號(hào)的采集。這些圖像采集系統(tǒng)并不能滿足雷達(dá)圖像采集的要求，即使少數(shù)針對(duì)高分辨率高刷新率圖像的采集系統(tǒng)也是以計(jì)算機(jī)板卡的形式出現(xiàn)，運(yùn)行時(shí)需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)。

目前一些速度高達(dá)1gsps的基于vme總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)4路，每路采集速度高達(dá)250mhz的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)1gsps速度的數(shù)據(jù)采集。但由于該類系統(tǒng)中沒(méi)有大容量的數(shù)據(jù)緩存，因此并不能實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。另外一些系統(tǒng)采用一種基于fpga，使用多sdram作為數(shù)據(jù)緩存的采集系統(tǒng)。該類系統(tǒng)解決了長(zhǎng)時(shí)間高速采集的問(wèn)題，可以對(duì)頻率為100mhz，16bit位寬的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。但是由于它采用了多個(gè)fifo來(lái)降低sdram的工作頻率，使得該類系統(tǒng)應(yīng)用在需要嚴(yán)格的數(shù)據(jù)同步的高速圖像采集系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)一些數(shù)據(jù)難以同步的問(wèn)題，還有一種pc板卡形式的高分辨率圖像采集卡，該系統(tǒng)直接對(duì)圖像進(jìn)行壓縮后存儲(chǔ)，并通過(guò)pci接口提供給pc，這種形式既不適合船舶上狹小的空間，也不能滿足船舶失事時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)要求。

本文提出一種高分辨率高刷新率圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用于嵌入式系統(tǒng)中，不僅體積小，還解決了數(shù)據(jù)保護(hù)的問(wèn)題，可用于船載雷達(dá)圖像記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持對(duì)多達(dá)4路8bit位寬最高采樣率達(dá)120mhz的數(shù)據(jù)通道，或者一路vga圖像信號(hào)，可對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采集存儲(chǔ)。具體的連續(xù)采集時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)所采用的sdram容量大小有所變化。該系統(tǒng)還為數(shù)據(jù)的后續(xù)處理提供了asram接口，使得用于緩存數(shù)據(jù)的sdram也可作為后續(xù)處理cpu的系統(tǒng)內(nèi)存。這樣既可以提高數(shù)據(jù)的處理速度，方便后續(xù)針對(duì)雷達(dá)圖像的壓縮或者識(shí)別處理，也節(jié)省了資源。

采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分析及芯片選擇

首先確定系統(tǒng)要求。目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的vga分辨率從640×480－1280×1024之間可調(diào)，刷新率為60－80hz可調(diào)。系統(tǒng)應(yīng)能接受最高情況為分辨率1280×1024，刷新率60hz。在這種情況下，圖像像素點(diǎn)頻率為：1280×1024×60＝75mhz。

vga是用于給顯示器等模擬設(shè)備提供圖像信號(hào)的模擬接口。它有rgb3個(gè)模擬信號(hào)分量以及行場(chǎng)同步信號(hào)，其中行場(chǎng)同步信號(hào)是符合ttl電平的脈沖信號(hào)。由于模擬的vga信號(hào)中包含有場(chǎng)同步時(shí)間和行同步時(shí)間及消隱時(shí)間，因此當(dāng)圖像為1280×1024＠60hz的情況下，ad轉(zhuǎn)換后像素點(diǎn)頻率要比實(shí)際算出來(lái)的75mhz還高。這么高的采樣率對(duì)于ad提出了很高的要求。因此采用analog device公司的芯片。ad芯片具有3路采樣精度為8bit的通道，最高采樣率為140msps，具有300m的模擬帶寬，并且專門(mén)對(duì)計(jì)算機(jī)及工作站圖像接口進(jìn)行了優(yōu)化，最高可滿足對(duì)分辨率為1280×1024，刷新率為75hz的視頻進(jìn)行采樣。

由于ad的采樣率比較高，相應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)率很也高。在系統(tǒng)要求的最高情況下，象素點(diǎn)頻率為108mhz，相應(yīng)的數(shù)據(jù)率為324mbit/s（rgb3個(gè)分量，每個(gè)分量8bit）。同時(shí)，由于采集的是圖像數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)對(duì)行同步要求比較高，因?yàn)槿绻谀骋恍械膱D像數(shù)據(jù)中丟失了某一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，整個(gè)圖像就會(huì)產(chǎn)生傾斜，如圖1所示。圖a為正確采集后得圖像，沒(méi)有發(fā)生傾斜；圖b為行采集數(shù)據(jù)小于顯示的水平分辨率；圖c為行采集數(shù)據(jù)大于顯示的水平分辨率。因此需要對(duì)每行的數(shù)據(jù)進(jìn)行突發(fā)存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)不丟失。突發(fā)的長(zhǎng)度為圖像的水平分辨率。

從上面的分析可知，ad后數(shù)據(jù)的及時(shí)存儲(chǔ)要求很高，在極端條件下系統(tǒng)必須以110mhz左右的頻率進(jìn)行突發(fā)長(zhǎng)度為1280×3byte的存儲(chǔ)。傳統(tǒng)的通過(guò)dsp把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到sdram的方法不能滿足這么高的速度和這么長(zhǎng)的突發(fā)長(zhǎng)度。因此我們采用fpga直接控制sdram存儲(chǔ)的方式進(jìn)行?？紤]到圖像數(shù)據(jù)的頻率和大小，我們采用工作在133mhz的sdram。

由于原始的圖像數(shù)據(jù)量很大，需要占用比較大的存儲(chǔ)空間，因此對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)還要進(jìn)行后續(xù)處理。所以fpga除了接收ad轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和控制sdram之外，還需要為圖像的后續(xù)處理提供接口。

綜上所述fpga需要實(shí)現(xiàn)如下功能：同步接收ad采集的數(shù)據(jù)；讀寫(xiě)sdram；提供后續(xù)圖像處理接口；提供控制接口。

設(shè)計(jì)中采用altera公司cyclone系列的fpga ep1c6。ep1c6具有2個(gè)鎖相環(huán)，包含5980個(gè)邏輯單元，相當(dāng)于12萬(wàn)門(mén)的規(guī)模，同時(shí)還包含了最高頻率200mhz，92160bit的內(nèi)部ram。該芯片的頻率和引腳io等資源都能很好的滿足本系統(tǒng)的要求。

總體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

采集系統(tǒng)由ad、fpga、sdram和主cpu組成。整個(gè)系統(tǒng)由cpu控制。進(jìn)行采集時(shí)，首先cpu根據(jù)行場(chǎng)同步信號(hào)判斷圖像的分辨率和刷新率，并對(duì)ad和fpga進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。其次，cpu使能fpga進(jìn)行采集。待采集一幀結(jié)束后，cpu即可對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

ad模塊能夠采集多種vga圖像格式，但卻不能自動(dòng)檢測(cè)圖像格式，必須通過(guò)它提供的iic接口進(jìn)行設(shè)置，我們?cè)谥鱟pu中實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像格式的自動(dòng)檢測(cè)，并對(duì)ad模塊進(jìn)行設(shè)置，另外，不同格式的vga圖像中場(chǎng)同步信號(hào)的有效脈沖電平?jīng)]有統(tǒng)一，ad模塊可以對(duì)輸入的場(chǎng)同步信號(hào)極性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并表示在內(nèi)部寄存器中，通過(guò)讀取該寄存器可以判斷輸入vga信號(hào)場(chǎng)同步的極性。ad模塊輸出的場(chǎng)同步信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入場(chǎng)同步信號(hào)的反相。fpga內(nèi)部的同步邏輯只支持一種有效電平的場(chǎng)同步信號(hào)，因此在采集前需要通過(guò)讀取ad內(nèi)部的寄存器判斷當(dāng)前輸入同步信號(hào)的極性，以確定是否需要設(shè)置ad芯片對(duì)場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行反相處理。

為了方便主cpu對(duì)fpga的控制，fpga提供了iic接口。主cpu可以通過(guò)與ad模塊一樣的iic接口控制fpga。設(shè)置采集圖像的大小，圖像存儲(chǔ)起始地址，消隱時(shí)間長(zhǎng)短等信息，從而保證采集圖像大小精確、完整，同時(shí)為了方便主cpu對(duì)圖像進(jìn)行后續(xù)的處理，fpga把存儲(chǔ)圖像的sdram轉(zhuǎn)換成asram接口提供給cpu處理，從而把存儲(chǔ)圖像的空間直接映射到了cpu的尋址空間。cpu可以通過(guò)dma快速的對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，提高系統(tǒng)效率。

fpga內(nèi)部設(shè)計(jì)

fpga內(nèi)部模塊如圖3所示。

fpga內(nèi)部由主控制、sdram控制器、ad接口、fifo、asram接口、iic等模塊組成。主控制模塊負(fù)責(zé)接收cpu的控制信號(hào)和協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，sdram控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)sdram的操作邏輯。ad接口模塊接收ad模塊輸出的數(shù)據(jù)和同步信號(hào)并保證圖像數(shù)據(jù)的行場(chǎng)同步，asram接口模塊轉(zhuǎn)換cpu對(duì)asram的操作為對(duì)sdram的操作指令，iic邏輯模塊接收cpu對(duì)fpga采集系統(tǒng)的各種參數(shù)設(shè)置和控制。

系統(tǒng)fpga主要時(shí)鐘頻率有sdram工作頻率133mhz，由ep1c6自帶的pll倍頻產(chǎn)生；ad模塊輸出的像素時(shí)鐘，由ad芯片內(nèi)部pll產(chǎn)生，iic模塊中的時(shí)鐘，由cpu產(chǎn)生。其中ad芯片輸出的時(shí)鐘根據(jù)不同的輸入圖像格式有比較大的變動(dòng)范圍，從25－108mhz，而sdram的讀寫(xiě)時(shí)鐘固定為133mhz。因此在這兩個(gè)不同頻率的時(shí)鐘之間必須加fifo來(lái)同步，fifo使用quartusii軟件中提供的免費(fèi)ip核，通過(guò)使用fpga內(nèi)部高速ram來(lái)實(shí)現(xiàn)。

ad模塊負(fù)責(zé)與ad芯片的接口邏輯。前面已經(jīng)分析了圖像采集中同步的重要性，如果圖像中的某一行數(shù)據(jù)不完整，那么將影響到整個(gè)圖像。ad模塊通過(guò)ad芯片輸出的行場(chǎng)同步信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的同步，以ad芯片輸出點(diǎn)頻作為fifo模塊的寫(xiě)時(shí)鐘，行場(chǎng)同步信號(hào)的組合邏輯組成fifo的寫(xiě)使能。另外，由于模擬的vga接口存在有行、場(chǎng)同步時(shí)間和行、場(chǎng)消隱時(shí)間，為了保證圖像采集的精度和完整，ad芯片要求把點(diǎn)頻設(shè)置為比實(shí)際有效點(diǎn)頻大20％－30％，因?yàn)樵赼d轉(zhuǎn)換后的圖像中行幅和場(chǎng)幅往往比實(shí)際圖像大，造成圖像有比較大的黑邊。如圖4所示。為了獲得準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)，ad模塊設(shè)置了計(jì)數(shù)器可以過(guò)濾圖像起始的黑邊。其計(jì)數(shù)值可以通過(guò)iic接口進(jìn)行設(shè)置。

sdram有多種不同長(zhǎng)度的突發(fā)模式。在本設(shè)計(jì)中由于ad輸出的頻率最高接近110mhz，突發(fā)存儲(chǔ)的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，為了能保證數(shù)據(jù)能夠及時(shí)存儲(chǔ)，工作頻率為133mhz的sdram必須工作在整頁(yè)突發(fā)的模式，以達(dá)到最高的數(shù)據(jù)吞吐率。

為了提高通用性，本設(shè)計(jì)中把sdram接口轉(zhuǎn)換成asram接口提供給主cpu，避免了sdram工作頻率和cpu外部時(shí)鐘不同時(shí)造成的sdram控制權(quán)切換的麻煩，提高對(duì)各種cpu的兼容性。asram接口邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)cpu地址到sdram地址的映射及操作時(shí)序的轉(zhuǎn)換。主控制模塊產(chǎn)生相應(yīng)的sdram控制指令，控制sdram讀寫(xiě)。sdram的操作對(duì)于cpu來(lái)說(shuō)是透明的。

該采集系統(tǒng)也可對(duì)4路8bit的ad通道進(jìn)行采集，因?yàn)閒pga內(nèi)部的ad邏輯模塊提供了32bit的接口，vga采集方式只用了其中24bit。采用4路8bit模式時(shí)只需把前端ad部分做一些調(diào)整。

實(shí)際應(yīng)用

在中國(guó)船級(jí)社對(duì)船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的性能要求中，要求船載航行數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)能連接到欲記錄其圖像的雷達(dá)顯示器的視頻緩存輸出，通過(guò)專用的雷達(dá)緩存輸出接口，數(shù)據(jù)記錄儀需記錄一系列單個(gè)和整屏的視頻幀。該要求設(shè)計(jì)的顯示器的分辨率應(yīng)在640×350到1280×1024之間，刷新率在60－85hz之間。采用本設(shè)計(jì)可以完整實(shí)現(xiàn)該要求。

圖5所示為完整的雷達(dá)圖像記錄系統(tǒng)框圖。

總體上系統(tǒng)由本地端系統(tǒng)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)兩大部分組成。本地端負(fù)責(zé)對(duì)雷達(dá)圖像的采集壓縮和存儲(chǔ)備份。遠(yuǎn)程系統(tǒng)保存雷達(dá)圖像的副本。本地系統(tǒng)由采集、處理、存儲(chǔ)傳輸3大部分組成。采集部分就是前文所述的以fpga為核心的雷達(dá)圖像采集系統(tǒng)。處理部分采用ti公司c6000系列dsp作為系統(tǒng)的cpu。存儲(chǔ)傳輸部分主芯片則采用了samsung公司的soc芯片s3c2410。存儲(chǔ)體則采用了多片大容量的nand flash。

遠(yuǎn)程系統(tǒng)與本地系統(tǒng)中的存儲(chǔ)和傳輸部分一樣。它只負(fù)責(zé)對(duì)雷達(dá)圖像的存儲(chǔ)。

本地系統(tǒng)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)通過(guò)485或者以太網(wǎng)相互通信。同時(shí)，本地系統(tǒng)和遠(yuǎn)程系統(tǒng)都提供了usb接口。在計(jì)算機(jī)上可以通過(guò)usb接口讀取設(shè)備中存儲(chǔ)的圖像，并對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

本文介紹的高速圖像采集系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，能夠?qū)ψ罡叻直媛蕿?280×1024刷新率為60hz的雷達(dá)圖像進(jìn)行采集，并通過(guò)asram接口把圖像數(shù)據(jù)提供給cpu進(jìn)行后續(xù)處理。

該采集系統(tǒng)適用于嵌入式系統(tǒng)中，成功應(yīng)用于船載雷達(dá)數(shù)據(jù)記錄儀中，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)圖像的采集，通過(guò)了實(shí)際測(cè)驗(yàn)。主要性能如下：采集圖像分辨率從640×350到1280×1024可調(diào)，刷新率從60－85hz可調(diào)，在15s采集一次的情況下可以保存24小時(shí)的雷達(dá)圖像，并可以通過(guò)usb接口在計(jì)算機(jī)上重現(xiàn)雷達(dá)圖像。

此外，本采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速突發(fā)長(zhǎng)度長(zhǎng)的數(shù)據(jù)的采集，并提供了相對(duì)通用的控制和存取接口，使得該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅局限于雷達(dá)圖像的采集。通過(guò)修改前端的ad模塊，該系統(tǒng)還能同時(shí)對(duì)4路位寬為8bit，采樣率最高位120mhz的ad通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，使它適用于其他需要高速采集的場(chǎng)合中。具有較強(qiáng)的通用性。