基于SOPC的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在FPGA上實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)，主要是構(gòu)建片內(nèi)MicroBlaze處理器，并為處理器添加片內(nèi)外設(shè)以實(shí)現(xiàn)硬件模塊功能，同時(shí)應(yīng)添加片內(nèi)外設(shè)與芯片外部引腳的連接。在開發(fā)片內(nèi)外設(shè)的同時(shí)，應(yīng)開發(fā)外設(shè)功能的底層驅(qū)動(dòng)程序，然后在MicroBlaze處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序。這是個(gè)軟件與硬件協(xié)同開發(fā)的過程。以MicroBlaze處理器為核心的系統(tǒng)開發(fā)可使用Xilinx公司提供的EDK(Embedded Development Kit)。該EDK提供有一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境XPS(Xilinx Platform Studio)，它同時(shí)集成了硬件平臺(tái)產(chǎn)生器、軟件平臺(tái)產(chǎn)生器、仿真模型生成器、軟件編譯器和軟件調(diào)試器等工具。在此環(huán)境下調(diào)用各種工具即可完成軟硬件協(xié)同開發(fā)的整個(gè)流程。EDK提供有多種與MicroBlaze處理器相關(guān)的功能IP核，其中包括OPB 10／100M以太網(wǎng)控制器、PLB／OPB SDRAM控制器、UART中斷控制器、定時(shí)器及其它外圍設(shè)備接口等資源。使用EDK中的系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)向?qū)?Base System Builder Wizard)可進(jìn)行MicroBlaze處理器的配置，而使用添加外圍設(shè)備向?qū)?ImportPeripheral Wizard)則可調(diào)用既有IP核以生成片內(nèi)設(shè)備，并與處理器總線相連。

　　本系統(tǒng)的片內(nèi)主要功能模塊包括視頻接口模塊、環(huán)形緩沖區(qū)、碼流兩級(jí)FIFO緩沖區(qū)、MPEG-4編碼器、Flash控制器、SDRAM控制器、10／100M以太網(wǎng)控制模塊、USB控制模塊等。其中視頻接口模塊是MicroBlaze處理器與TVP5150的接口。MicroBlaze處理器對(duì)TVP5150的控制驅(qū)動(dòng)程序可從TVP5150驅(qū)動(dòng)程序模板移植而來(lái)，可用于實(shí)現(xiàn)TVP5150采集方式的配置，并將采集的視頻信號(hào)以4：2：0YUV格式存儲(chǔ)到環(huán)形緩沖區(qū)里。環(huán)形緩沖區(qū)是片內(nèi)與MicroBlaze處理器總線相連的SRAM存儲(chǔ)空間的一部分，其中數(shù)據(jù)隊(duì)列的首尾指針是由MicroBlaze處理器程序維護(hù)的。采用開發(fā)工具提供的FIFO模板可對(duì)其深度、位寬、讀寫時(shí)鐘、滿標(biāo)志等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并將兩個(gè)FIFO相連以構(gòu)成兩級(jí)FIFO，然后將其入口與MPEG-4編碼器的輸出相連。FIFO的先一級(jí)與MicroBlaze處理器總線相連可支持DMA讀取。MPEG-4編碼器是Xilinx公司授權(quán)的MPEG-4 Simple Profile編碼器IP核，它接受環(huán)形緩沖區(qū)里未壓縮的4：2：0YUV格式視頻信號(hào)并可將其生成MPEG-4Simple Profile格式壓縮碼流。MPEG-4編碼器與MicroBlaze處理器總線和兩級(jí)FIFO輸入相連，可為EDK提供其驅(qū)動(dòng)程序。Flash控制器、SDRAM控制器、10／100M以太網(wǎng)控制器的實(shí)現(xiàn)軟件在EDK中已提供，其與處理器總線的連接也在向?qū)Чぞ咧凶詣?dòng)設(shè)定，其驅(qū)動(dòng)程序就包含在其中。由于片外采用了高度集成的USB控制器，而片內(nèi)的USB控制模塊只是MicroBlaze處理器總線與引腳的直接相連，故其驅(qū)動(dòng)程序只是參考PDIUSBD12的一般驅(qū)動(dòng)程序在EDK軟件平臺(tái)上的移植。

　　本系統(tǒng)的片內(nèi)外設(shè)與MircoBlaze處理器的連接如圖4所示，其中箭頭表示視頻數(shù)據(jù)的流向。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中的MicroBlaze處理器對(duì)TVP5150和PDIUSBD12的控制驅(qū)動(dòng)程序可根據(jù)其通用驅(qū)動(dòng)程序在EDK軟件平臺(tái)上移植生成。利用Xilinx公司提供的IP核可以搭建FPGA片內(nèi)硬件平臺(tái)，同時(shí)可獲得底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的支持，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)。

　　外部模擬視頻信號(hào)經(jīng)TVP5150轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)后，即可進(jìn)入FPGA并通過視頻接口模塊直接排列到內(nèi)部環(huán)形緩沖區(qū)數(shù)據(jù)隊(duì)列的隊(duì)尾。

　　當(dāng)MircoBlaze處理器接收到MPEG-4編碼器可用中斷時(shí)，系統(tǒng)將檢測(cè)環(huán)形緩沖區(qū)是否為空。非空時(shí)，可將數(shù)據(jù)隊(duì)列的頭部數(shù)據(jù)取出送給MPEG-4編碼器，同時(shí)啟動(dòng)編碼器編碼。

　　視頻信號(hào)經(jīng)過編碼器編成視頻原碼流后，即可進(jìn)入FPGA內(nèi)部二級(jí)FIFO緩存。當(dāng)FIFO先一級(jí)滿時(shí)向MircoBlaze處理器發(fā)出數(shù)據(jù)輸出中斷請(qǐng)求。

　　MircoBlaze處理器響應(yīng)來(lái)自FIFO的中斷后，可將FIFO先一級(jí)數(shù)據(jù)取出并以USB或以太網(wǎng)接口輸出，然后清空FIFO先一級(jí)。

　　依據(jù)上面的工作過程，MircoBlaze處理器的應(yīng)用程序包括以下幾部分：

　　(1)系統(tǒng)復(fù)位初始化

　　即禁止外部中斷，初始化各驅(qū)動(dòng)程序，清空環(huán)形緩沖區(qū)和兩級(jí)FIFO，檢測(cè)USB接口、以太網(wǎng)接口連接以決定用何種方式輸出，然后啟動(dòng)對(duì)TVP5150的控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后啟用外部中斷。

　　(2)編碼器可用中斷服務(wù)

　　編碼器完成一幀數(shù)據(jù)編碼即可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷，然后由MircoBlaze處理器控制編碼器向環(huán)形緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)，并在環(huán)形緩沖區(qū)耗盡時(shí)等待一定時(shí)間；

　　(3)碼流可輸出中斷服務(wù)

　　當(dāng)兩級(jí)FIFO先一級(jí)所準(zhǔn)備輸出的碼流滿時(shí)，可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷，然后在MircoBlaze處理器控制下，將該碼流交付給USB或以太網(wǎng)輸出接口API并由底層驅(qū)動(dòng)輸出，最后再清空FIFO先一級(jí)。

　　圖5所示是其應(yīng)用程序流程圖。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)介紹了基于Spartan-3 FPGA實(shí)現(xiàn)通用視頻采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依賴于專用的設(shè)計(jì)軟件和IP模塊。由于采用了SOPC技術(shù)，該系統(tǒng)可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，而多層次IP模塊的高度復(fù)用又使得本系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)周期短，風(fēng)險(xiǎn)投資小和設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)勢(shì)。