基于fpga的新型公交監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

基于fpga的新型公交監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

將fpga作為系統(tǒng)性能核心處理器現(xiàn)在，世界上的大多數(shù)人都捍衛(wèi)綠色和安全的概念。中國已經(jīng)開始實施私家車限制，人們移動公共交通的依賴正在增加。因此,公共交通的安全性必然越來越受大眾關(guān)注。坐過公交車的人都知道,目前國內(nèi)公交監(jiān)控系統(tǒng)僅僅是針對后門區(qū)域?qū)η伴T及車外等其它區(qū)域的監(jiān)控均需由司機目測完成。在很多城市的上下班高峰期,乘客擁擠嚴重,此時司機對前門區(qū)域、車廂內(nèi)部及車外的目測觀察就將十分困難。而在人多時不能及時觀測了解車內(nèi)外的情況,必然會增加事故發(fā)生的概率。設(shè)計一個能夠同時全面監(jiān)控車廂內(nèi)外情況的監(jiān)控系統(tǒng)對公共交通安全性提升具有重要意義。FPGA、DSP和微處理器被稱為未來數(shù)字電路系統(tǒng)的3塊基石,也是目前硬件設(shè)計研究的熱點。由于FPGA處理數(shù)據(jù)采用并行的方式,實時性強,因此廣泛應(yīng)用于高速視頻處理領(lǐng)域,另外,與傳統(tǒng)電路設(shè)計方法相比,FPGA還具有小型化、低功耗、多功能、集成度高、保密性好、升級容易、可無限次反復(fù)編程、并有現(xiàn)場模擬調(diào)試驗證的優(yōu)點?？紤]到上述情況,我們選用FPGA作為系統(tǒng)的核心處理器來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)的視頻顯示方案考慮了兩種:一是采用四個顯示屏幕來顯示相對應(yīng)的監(jiān)控區(qū)域,二是在同一個屏幕上顯示四幅來自不同區(qū)域的圖像等等。顯然,第一種方案的優(yōu)點在于視頻處理工作量少,更利于實時顯示。第二種方案則需要對采集到的視頻信息進行拼接處理等操作,因此需要較多的處理時間,但它能體現(xiàn)資源、空間的利用節(jié)約和環(huán)保理念。因此我們最后還是選用第二種。1采集模塊fpga圖像處理綜合考慮視頻圖像質(zhì)量、實時性、成本等多方面要求,本系統(tǒng)的設(shè)計方案確定為:由四路AK8856視頻采集芯片分別采集前門、后門、車廂內(nèi)部及車尾的視頻信號,在FPGA中進行四合一的視頻信息拼接處理,然后再通過視頻DA處理并在顯示器上播放。圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)采用的處理器芯片為Altera公司的CycloneIII系列FPGA芯片,該系列芯片具有功耗低、成本低的優(yōu)點,同時Altera公司作為全球最大可編程器件供貨商之一還提供了成熟、豐富的IP核供設(shè)計者使用,從而可以大大的降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)時間,使產(chǎn)品盡早的供應(yīng)市場。視頻采集芯片選用AK8856,通過配置I2C總線,AK8856可以把NTSC或PAL格式的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換為ITU-RBT.601標準的數(shù)字視頻信號供處理器處理。視頻編碼芯片選擇同樣來自AKM公司的AK8817,該視頻DA芯片可以看作是AK8856對視頻的逆處理,最終可以將四合一的圖像實時的顯示在顯示器上。由于處理的視頻數(shù)據(jù)量比較大,因此還選用了兩片16位(擴展成32位)SDRAM進行視頻數(shù)據(jù)的緩存,所選芯片為HY57V561620。2模塊設(shè)計按照系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),可以將系統(tǒng)分割成以下三個子模塊進行設(shè)計,分別是視頻采集模塊,視頻合成模塊,視頻顯示模塊。2.1模擬視頻數(shù)據(jù)到數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)化四路視頻的AD轉(zhuǎn)換均由視頻AD芯片AK8856完成AK8856在工作之前需要通過I2C總線對其內(nèi)部寄存器進行配置。雖然I2C協(xié)議支持多主控模式,但是在同一時刻只允許有一個主控工作,這就要求對I2C接口進行擴展,如果選擇別的處理器,需要選擇額外的I2C擴張芯片進行處理,而選擇FPGA作為處理器只需要四組普通的I/O口來模擬I2C接口即可完成,節(jié)約了面積資源和成本資源。四路視頻AD完全相同,以下以一路視頻為例,分析模擬視頻信號到數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)化。AK8856能把NTSC或者PAL格式的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,它可以輸出三種接口形式的數(shù)字視頻信號:ITU-R656格式(無同步信號)、攝像頭格式(有同步信號)、ITU-R601格式(有同步信號)。輸出的數(shù)字圖像大小格式從QCF到VGA可選。本設(shè)計選擇的輸入格式為PAL格式的復(fù)合視頻信號,輸出接口選擇的為ITU-R601模式,圖像大小選擇為CIF格式(352X288)。FPGA通過I2C接口,將寄存器的值寫到視頻AD芯片使之工作。因此此處需要設(shè)計基于FPGA的I2C接口,在文獻中,作者已經(jīng)進行過探討和研究,此處將不再探討。視頻數(shù)據(jù)輸出接口采用模式3,按照芯片的數(shù)據(jù)手冊,配置相應(yīng)的寄存器,可得到如圖2所示的時序關(guān)系圖。其中,CLKO表示輸出數(shù)據(jù)時鐘,這里是27MHZ;HD/VD是行有效信號;VD/VAF是幀有效信號;DVALID則是輸出數(shù)據(jù)有效信號;數(shù)據(jù)中的“X”表示此時的數(shù)據(jù)不確定。在這些控制信號的作用下,視頻數(shù)據(jù)按照Cb,Y,Cr,Y,Cb,Y,Cr,Y…的4:2:2格式順序輸出。2.2存儲地址的對應(yīng)存儲視頻合成是本課題的重點研究內(nèi)容之一。具體方案如下:經(jīng)過視頻AD后得到的四路數(shù)字圖像按照最后在顯示器上顯示的位置對應(yīng)存儲在SDRAM中,第一路視頻在顯示器的左上區(qū)域,對應(yīng)于存儲在SDRAM的左上區(qū)域,第二路視頻在顯示器的右上區(qū)域,對應(yīng)于存儲在SDRAM的右上區(qū)域,以此類推,四路視頻數(shù)據(jù)分別存儲于SDRAM的左上、右上、左下、右下四個區(qū)域。讀出時按照地址遞增順序,即可實現(xiàn)視頻的合一處理。經(jīng)前部分處理之后得到的四路數(shù)字視頻信號數(shù)據(jù)格式完全相同,其中一路視頻處理的硬件電路如圖3所示。由于四路視頻數(shù)據(jù)的輸入不可能完全同步,所以此處選用了異步FIFO來達到異步數(shù)據(jù)同步處理的效果,四個FIFO的寫時鐘分別來自于前端的各自CLKO,四個FIFO的讀時鐘則來自同一個信號PLL＿CLK(CLKO的四倍頻),從而達到同步處理的效果。Altera公司免費提供異步FIFO的IP核供設(shè)計人員使用,只需使用者匹配參數(shù)即可完成自己的設(shè)計。為了減少讀寫存儲器操作的次數(shù)及充分利用兩片存儲器32位寬的特點,需要對輸入視頻數(shù)據(jù)進行4BYTE(32bits)數(shù)據(jù)的緩存。在QuartusII中編寫該模塊的Verilog程序代碼,仿真結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?較好地完成了數(shù)據(jù)從8位到32位的緩存處理。四路視頻數(shù)據(jù)都需要通過異步FIFO的處理和4BYTE數(shù)據(jù)的緩存,然后再通過一個四選一選擇器,等時的存入相應(yīng)SDRAM的地址中去。為了使數(shù)據(jù)和地址一一對應(yīng),需將存儲器空間進行如下分配:(1)先按照列劃分,把空間等分為上下兩個區(qū)域;(2)再按照行劃分,把行劃分為前后兩個半行。這樣就把整個存儲器等分為4個區(qū)域。這四個區(qū)域分別與采集到的四路視頻數(shù)據(jù)一一對應(yīng):第一路視頻存放在上半?yún)^(qū)域的前半行空間,第二路視頻存放在上半?yún)^(qū)域的后半行空間,第三路視頻存放在下半?yún)^(qū)域的前半行空間,第四路視頻存放在下半場的后半行空間。當四場視頻數(shù)據(jù)全部存到存儲器后,按照地址遞增順序輸出,便得到了視頻的4合1處理結(jié)果。如何實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與存儲器地址的一一對應(yīng)存儲,下面以4幅圖像,每幅圖像4X3個像素為例,分析存儲器地址的生成。圖5(b)表示4幅來自不同通道的視頻圖像最終在顯示器上的排列位置。以占據(jù)左上角的通道1視頻信號的數(shù)據(jù)地址為起始基地址,則通道2、3、4的數(shù)據(jù)地址(addr2,addr3,addr4)可在通道1的數(shù)據(jù)地址(addr1)上分別加上相應(yīng)的常數(shù)C1,C2,C3而得到。其中C1=4(一行圖像的像素點),C2=24(通道1和2的兩幀圖像的像素點之和),C3=28(兩幀圖像的像素點加上一行圖像的像素點)。所以,地址生成按照下面步驟進行:(1)首先生成通道1數(shù)據(jù)的地址(addr1)(2)其次生成其他通道數(shù)據(jù)的地址;按照上述的思路,在QuartusII下進行編寫Verilog程序,部分代碼如下:對上述設(shè)計進行功能仿真,可得到如圖6所示的仿真波形。由仿真結(jié)果能看出,生成的地址依次為0、4、24、28、1、5、25、29…與像素點1、a、A、!、2、b、B、@…達到了一一對應(yīng)的關(guān)系。2.3基于i2c的熱容量設(shè)計視頻的DA轉(zhuǎn)換選用AK8817,這款DA芯片也來自于AKM公司,它負責數(shù)字視頻到模擬復(fù)合視頻或分量視頻的轉(zhuǎn)換。AK8817也是采用I2C方式來配置寄存器的,選用該芯片降低了設(shè)計的時間成本。由于輸入視頻數(shù)據(jù)為8bit分量格式,輸入有效視頻數(shù)據(jù)的順序為Cb,Y,Cr,Y,Cb,Y,Cr,Y….,所以在輸入到AK8817之前需要將32bit的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8bit的數(shù)據(jù),即視頻合成模塊中數(shù)據(jù)緩存的逆處理。3公共交通監(jiān)控系統(tǒng)本文介紹了一種基于FPGA技術(shù)的新的公共交通監(jiān)控系統(tǒng)。相比較現(xiàn)有公交監(jiān)控系統(tǒng)只對后門監(jiān)控的局限性,新系統(tǒng)可以實現(xiàn)對車廂內(nèi)外車況的全面實時監(jiān)控。該系統(tǒng)對于提高公共交通系統(tǒng)安全性有