辨析視頻監(jiān)控系統(tǒng)中多畫面處理器的設(shè)計(jì)

1、辨析視頻監(jiān)控系統(tǒng)中多畫面處理器的設(shè)計(jì)            摘要：以黑白四畫面處理為例，介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)中基于FPGA器件和單片機(jī)的多畫面處理器的設(shè)計(jì)方法，簡述了FPGA器件XCS05XL的特點(diǎn)和工作原理，討論了單片機(jī)PD78F0034與I2C總線存儲(chǔ)器X24C16的接口方法以及用PD6453疊加字符的基本方法，同時(shí)概述了使用幀存儲(chǔ)器AL422應(yīng)注意的幾個(gè)問題。 關(guān)鍵詞：多畫面處理器 單片機(jī) 現(xiàn)場可編程門陣列 XCS05XL芯片 I2C總線存儲(chǔ)器近年來，隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各

2、個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為視頻監(jiān)近系統(tǒng)組成之一的多畫面處理器的應(yīng)用也愈來愈普遍。如使用一臺(tái)九畫面處理器，則可在一臺(tái)監(jiān)視器上同時(shí)監(jiān)控9個(gè)目標(biāo)，只需使用一臺(tái)錄像機(jī)便可對9路視頻信號(hào)同時(shí)實(shí)時(shí)錄像。目前多畫面處理器有黑白/彩色四、九、十六畫面處理器等6種類型。一般說來，多畫面處理器除了有畫面分割功能外，還須有視頻信號(hào)切換及報(bào)警功能。視頻信號(hào)功換功能是指多畫面處理器有一路視頻輸出是輸入視頻信號(hào)或畫面分割信號(hào)的順序切換，且切換時(shí)間可調(diào)；報(bào)警功能是指多畫面處理器能輸入、輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警時(shí)相應(yīng)的畫面上疊加有報(bào)警信息，并將報(bào)警信息存儲(chǔ)起來以便日后查閱。設(shè)計(jì)多畫面處理器可使用專用DSP芯片，這樣雖然滿足了速度要求，

3、但開發(fā)周期較長，產(chǎn)品的調(diào)試、修改及升級(jí)比較困難，成本較高。由于FPGA（即現(xiàn)場可編程門陣列）器件具有集成度高、體積小、功耗低、設(shè)計(jì)靈活且價(jià)格較低，有快速高效的開發(fā)平臺(tái)，可加快開發(fā)周期等優(yōu)勢，因此目前多畫面處理器的設(shè)計(jì)基本上采用FPGA作為其中的視頻信號(hào)處理器件。由于FPGA的功能由其內(nèi)部的編程數(shù)據(jù)確定，編程數(shù)據(jù)的裝載方法之一是上電后由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，因此多畫面處理器含有單片機(jī)。一方面利用單片機(jī)在上電后將FPGA所需的編程數(shù)據(jù)寫入FPGA中，另一方面視頻信號(hào)的切換、字符疊加及報(bào)警信息的處理也由單片機(jī)來完成。下面具體介紹基于FPGA器件和單片機(jī)的黑白四畫面處理器的設(shè)計(jì)方法。1 黑白四畫面處理器的組成及

4、主要功能1.1 黑白四畫面處理器的組成黑白四畫面處理器的方框圖如圖1所示。由圖1可知，該多畫面處理器以FPGA器件和單片機(jī)為核心，外加A/D、D/A、幀存儲(chǔ)器、串行存儲(chǔ)器、串行時(shí)鐘和字符疊加等輔助芯片組成。1.2黑白四畫面處理器的主要功能該四畫面處理器主要功能如下：·視頻格式為CCIR模式，即視頻信號(hào)的場頻為50Hz；·雙工操作（在錄像的同時(shí)可進(jìn)行回放），菜單設(shè)定；·全屏顯示時(shí)象素為1024×512,256個(gè)灰度等級(jí)；·4路CVBS輸入及1路錄像輸入；·1路全畫面與四分割切換輸出，1路錄像輸出（固定四分割）；·切換時(shí)間可調(diào)，

5、范圍為1255s。·畫面上可疊加時(shí)間日期，且位置可調(diào)整；·有報(bào)警輸入輸出功能，報(bào)警復(fù)位時(shí)間的可調(diào)范圍為1300s；·有視頻信號(hào)丟失報(bào)警功能，報(bào)警時(shí)對應(yīng)的畫面上有文字顯示。2 各部分電路的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1 輸入緩沖及A/D轉(zhuǎn)換該部分電路的主要功能是將輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)供FPGA器件處理，其方框圖如圖2所示。4路視頻信號(hào)經(jīng)過受FPGA控制的模擬多路選擇器后，輸出2路視頻信號(hào)，1 2 3 4 下一頁         經(jīng)過緩沖放大后

6、送到受FPGA控制的模擬開關(guān)；然后再輸出給A/D，2路視頻信號(hào)需要2片A/D芯片。A/D芯片選TLC5510，該芯片是一種分辨率為8位、20MSPS（20兆采樣點(diǎn)/秒）的CMOS模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。在FPGA的控制下，TLC5510將輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻誤，然后送往幀存儲(chǔ)器。2.2 幀存儲(chǔ)器幀存儲(chǔ)器選AVERLOGIC公司的AL422，共需要2片。AL422是存儲(chǔ)量為384KB×8Bits的FIFO（First In First Out）DRAM，它支持VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV分辨率，具有獨(dú)立的讀/寫操作及輸出使能控制；存儲(chǔ)時(shí)間為15ns的高速異步串行存取，

7、可在5V或3.3V電源電壓下工作，標(biāo)準(zhǔn)的28腳SOP封裝。2.3 FPGA器件FPGA是本設(shè)計(jì)的核心，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列相比具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，D觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其它邏輯或驅(qū)I/O。這些模塊利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)其FPGA通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)其邏輯，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中值決定了FPGA實(shí)現(xiàn)的功能；FPGA的這種結(jié)構(gòu)允許無限次的重新編程。由此可見，用FPGA設(shè)計(jì)的產(chǎn)品調(diào)試修改及升級(jí)均很容易，且具有很大的靈活性。目前

8、FPGA的種類很多，在本設(shè)計(jì)中選用Spartan系列的XCS05XL。該芯片是Xilinx公司推出的低價(jià)格、高性能的FPGA，其主要特點(diǎn)如下：·系統(tǒng)門的數(shù)目達(dá)到了5000，Logic cell數(shù)目達(dá)到了238，系統(tǒng)資源豐富；·具備片上可編程分布式RAM，最多可編程的RAM達(dá)3200bit；·分布式算術(shù)邏輯單元，支持分布式DSP運(yùn)算；·靈活的高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部三態(tài)總線；工作電壓為3.3V。有關(guān)XCS05XL的詳細(xì)資料請參閱參考文獻(xiàn)1。FPGA的編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASH ROM里。每次上電后單片機(jī)將編程數(shù)據(jù)裝入XCS05XL，編程模式選從串模式，因而

9、其22腳（M1）和24腳（M0）懸空。編程數(shù)據(jù)裝入后，XCS05XL的邏輯功能就確定了；XCS05XL控制視頻信號(hào)的輸入及A/D轉(zhuǎn)換，在其內(nèi)部將每路視頻信號(hào)壓縮為原來的1/2，同時(shí)在單片機(jī)的控制下給每路疊加時(shí)間、日期、通道數(shù)字字符信息，然后將壓縮的四路視頻信號(hào)合成為一路完整的數(shù)字視頻信號(hào)，并輸出給D/A，形成四分割輸出。2.4 D/A轉(zhuǎn)換及輸出緩沖放大D/A轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)移成模擬視頻信號(hào)，然后經(jīng)過緩沖放大輸出給監(jiān)視器，D/A芯片選HI1171。該芯片是一種分辨率為8位，頻率為40MHz的高速D/A轉(zhuǎn)換器，其最大積分和微分線性誤差分別為1.3LSB和0.25LSB；最小建

10、立時(shí)間僅為5ns，在單5V下工作，功耗只有80mW。輸出緩沖放大由分立元件組成。2.5 單片機(jī)單片機(jī)選日本NEC公司的PD78F0034，該芯片的主要特點(diǎn)是：·時(shí)鐘為8.38MHz時(shí)的指令周期為0.24s；·ROM為32KB FLASH,RAM為1024bytes；·可尋址空間為64KB，5個(gè)外部中斷，15個(gè)內(nèi)部中斷；·39個(gè)CMOS I/O，8個(gè)COMS INPUT，4個(gè)N-CH漏極開路I/O；·1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；·1個(gè)時(shí)鐘定時(shí)器，1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)UART端口；上一頁  1

11、60;2 3 4 下一頁         ·支持I2C總線，有時(shí)鐘信號(hào)及蜂鳴信號(hào)輸出功能；·外部數(shù)據(jù)總線8位，內(nèi)部寄存器為16位；·有8位無符號(hào)乘法指令，16位除法指令；·工作電壓范圍為1.8V5.5V，有STOP/HALT工作模式。由此可見，該芯片的性能要優(yōu)于目前流行的MCS-51系列，其8位無符號(hào)乘法指令及16位除法指令給軟件編程帶來了很大的方便。另外，由于該芯片本身帶看門狗定時(shí)器，因而無需外加看門狗電路，就能保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地工作。2.6

12、 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器芯片采用串行EEPROM芯片X24C16。該芯片是容量為2KB帶寫保護(hù)的I2C總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)WP=1時(shí)，只能讀，不能寫數(shù)據(jù)。它使用串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線（SCL）進(jìn)行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)100Mbps，快速方式下可達(dá)400Mbps。在I2C總線傳輸中，開始和停止條件定義如下：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高變低為開始條件；當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由低變高時(shí)為停止條件（如圖3(a)所示）。SDA和SCL都是雙向傳輸線，SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變（如圖3(b)所示）。輸出

13、到SDA線上的每一字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答位。本設(shè)計(jì)中X24C16的第5腳（SDA）和第6腳（SCL）分別接單片機(jī)的P3.6和P3.7。2.7 時(shí)鐘和字符疊加電路時(shí)鐘芯片選串行時(shí)鐘DS1302。該芯片是一種高性能、低功耗且?guī)AM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，它有如下主要特性；·實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對秒、分、時(shí)、日、周、月、年進(jìn)行計(jì)數(shù)，且有閏年補(bǔ)償功能，直至2100年；·用于數(shù)據(jù)暫存的31B NV RAM，簡單的三線接口，TTL兼容；·用于時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)讀/寫的連續(xù)多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送方式；·8引腳DIP或用于表面貼裝的8引腳SOIC封裝；&#

14、183;工作電壓為25.5V，溫度為-4085。字符疊加電路由NEC公司PD6453組成。該芯片可在屏幕上顯示12行、每行24個(gè)字符、每個(gè)字符為12×18點(diǎn)陣。字符的大小、閃爍頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，屏幕的背景色、字符的邊緣色以及字符本身的顏色也可以修改。該芯片內(nèi)部除固化了191個(gè)日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模以外，還固化了49個(gè)漢字（如年、月、日、時(shí)）的字模；另外該芯片提供16個(gè)字符的RAM空間，供用戶填入自定義字符。由于畫面處理器不需要疊加太多的不同字符，因而本設(shè)計(jì)不外加漢字字庫，這樣既節(jié)省了成本和線路板的空間，又簡化了電路結(jié)構(gòu)。PD6453所需的行、場同步信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)均由

15、FPGA提供。單片機(jī)通過串行數(shù)據(jù)傳輸將一系列命令（包括所要顯示的字符或漢字、字符大小、字符的間距、字符的屬性）送往PD6453，PD6453收到命令后再將所要顯示的字符或漢字等信息送至FPGA。2.8 視頻信號(hào)切換電路該電路由MAX440組成。MAX440是一種內(nèi)含寬帶視頻放大器的高速多路視頻選擇開關(guān)，可輸入8路視頻信號(hào)，輸出為1路視頻信號(hào)。在單片機(jī)的控制下，輸出可與8路視頻輸入中的任一路相連。該芯片的主要特點(diǎn)如下：·帶寬為110MHz；微分增益為0.04%，微分相位為0.03度；·開關(guān)切換時(shí)間為15ns，轉(zhuǎn)換速率為370V/s；·開/關(guān)時(shí)的輸上一頁 &

16、#160;1 2 3 4 下一頁         入電容為4pF，無需外接補(bǔ)償元件。2.9 報(bào)警信號(hào)的接收及處理由單片機(jī)直接完成，無需經(jīng)過FPGA。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，單片機(jī)收到報(bào)警信息，發(fā)出命令使蜂鳴器件發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)通知FPGA和PD6453使對應(yīng)的畫面閃爍并出現(xiàn)“報(bào)警”字樣。3 FPGA器件XCS05XL的編程實(shí)現(xiàn)原理所謂編程就是利用單片機(jī)PD78F0034將事先設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)通過某種方式裝入XCS05XL中，以確定XCS05XL內(nèi)部的CLB和IOB的功能以及布線通道的連接

17、方式，數(shù)據(jù)的寫入只在編程過程中完成。在正常工作期間，存儲(chǔ)單元只用來提供固定的控制信號(hào)，編程存儲(chǔ)單元以陣列形式分布在XCS05XL中。每個(gè)CLB有幾百個(gè)編程數(shù)據(jù)位，每個(gè)編程數(shù)據(jù)位定義了一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)單元的狀態(tài)，該存儲(chǔ)單元可以控制一個(gè)邏輯函數(shù)查找表位、一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器輸入或一個(gè)互連開關(guān)晶體管。Xilinx開發(fā)系統(tǒng)可以將邏輯設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)表文件，它自動(dòng)將邏輯電路分區(qū)、設(shè)置和布線，以PROM格式產(chǎn)生編程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入PROM中。XCS05XL有三種編程模式：從串模式、主串模式和快速模式。編程開始前，芯片會(huì)自動(dòng)檢測M1和M2腳以確定編程模式，編程結(jié)束后，這些腳就沒有用了。當(dāng)M1和M2腳為高電平時(shí)，選從串

18、模式，這也是目前最常用的一種編程模式。實(shí)際上，此時(shí)M1和M2腳可懸空。如果要選擇主串模式，則M1和M2腳必須與相連或通過1k的下拉電阻接地。圖4所示為PD78F0034單片機(jī)對FPGA器件XCSO5XL裝載編輯數(shù)據(jù)的示意圖。XCS05XL的編程模式選從串模式，因而其M1、M2腳懸空（即相當(dāng)于接高電平）。XCS05XL的編輯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASH ROM里，上電復(fù)位后，單片機(jī)通過P30腳將數(shù)據(jù)串行傳送到XCSO5XL中。XCS05XL所需的編程時(shí)鐘（CCLK）信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，在每個(gè)CCLK的上升沿，XCS05XL通過DIN腳接收輸入數(shù)據(jù)。4 軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)要注意的幾個(gè)問題（1）使用幀存儲(chǔ)器AL422應(yīng)注意的問題