基于FPGA的数据嵌入式图像采集系统

摘要 介绍了以FPGA为核心的逻辑控制模块的数据采集系统的设计可以满足实时性要求，设计中采用自顶向下的设计方法，根据不同的功能将整个系统划分为若干模块进行设计，并介绍了每个模块的功能和实现方法。在设计中采用VHDL语言对各个模块进行描述。视频解码芯片采用Philips公司的SAA7113H，该芯片通过I2C总线协议进行配置。实验表明，设计可以满足图像采集实时性的要求。
关键词 图像采集；可编程门阵列；视频解码芯片；格式转换；状态机

在图像处理系统中，首先对摄像头采集的视频信号进行A／D转换，将模拟图像信号转化为数字信号，提供给后端的处理系统进行图像处理。而视频图像采集系统是多媒体信息处理、视频监控等系统的前端子系统，是视频处理系统中不可缺少的部分。传统视频采集系统一般电路复杂、成本高，而且较难满足实时性的要求，而采用视频摄像头+视频解码器+FPGA的模式，可简化电路的复杂性，其中视频解码器对摄像头采集的信号进行AD转换，FPGA对信号的采样进行控制。FPGA的时钟频率高、时间延迟小，可以满足实时性的要求。基于以上的优点文中采用些结构来实现视频图像的采集。

1 视频解码器SAA7113H
SAA7113H是Philips公司的一种增强型视频输入处理器，内部有一系列寄存器，寄存器的读、写通过I2C总线完成。包括一个双通道的模拟预处理电路、可编程静态增益和自动增益控制电路、时钟生成电路、数字多标准解码电路、亮度、对比度、饱和度控制电路和I2C总线控制电路。SAA7113H需外接24．576 MHz晶体，内部锁相环PLL可输出27 MHz的时钟。自动检测50 Hz和60 Hz的场频，可在PAL、NTSC两种制式之间自动转换。具有4路模拟视频信号输入，通过内部寄存器的不同配置可以实现4路信号的转换；输入可以是4路CVBS或2路Y／C信号或1路Y／C信号2路CVBS，输出为标准ITU656 YUV4：2：2格式的VPO数据总线(8-bit)。SAA7113H模拟部分和数字部分采用+3．3V，数字I／O接口兼容+5V。

2 系统总体方案及工作原理
系统选用Altera公司的CycloneⅡ系列中的EP2C20Q240C8为系统的硬件平台，该芯片内部有18752个LE，26个乘法器和4个锁相环等。视频解码芯片采用Philips的SAA7113H。系统主要由SAA7113H图像采集接口模块、I2C总线配置模块、控制模块、像素存储模块、格式转换模块和显示接口模块组成。设计中利用VHDL语言在QuartusⅡ下进行编程和调试。系统基本结构如图1所示。

3 主要模块功能介绍
3．1 SAA7113H图像采集接口模块
该模块负责视频图像的采集并将模拟视频信号转换为数字视频信号，为后面的视频处理做准备。该模块与SAA7113H的VPO数据总线、RTS0、RTS1、及LLC相连，RTS0和RTS1分别配置为行同步和场同步信号，只有在这两个信号同时有效时，输出数据是有效图像数据，否则是消隐信号。有效的视频信号分为奇数场和偶数场，共576行有效数据，其中奇数场有效数据为23～310行，偶数场有效数据为336～623行，其余
为垂直控制信号。
SAA7113H的VP0总线输出数据的频率是27 MHz，在每个LLC的上升沿输出1 Byte有效数据。标准ITU YUV 4：2：2格式视频信号的每个像素都有各自的亮度分量Y，每两个相邻的像素公用一对的色差数据Cb和Cr。在存储像素数据时，可认为每两个连续字节表示一个像素，当需要格式转换或进行其他的处理时，要一次提取两个相邻的像素的数据，进行相应处理。其中，每行有数据864个采样点中有效数据720个，消隐期间数据144个。在完整的一帧图像数据中第一场的消隐EAV为FF 00 00 BX，第一场消隐SAV为FF 00 00 AX；第一场有效数据SAV为FF 00 00 8X，有效数据EAV为FF 00 00 9X，其他场类推。奇数场有效数据阶段的SAV为“FF 00 00 80”，偶数场有效数据阶段的SAV为“FF 00 00 C7”。在每个时钟的上升沿读取8位数据，当检测到一行数据的开始标志FF 00 00 XY时，检测到SAV或EAV信号，提取H、F、V信号。然后开始对图像数据进行解码，根据8位数据自带的信息，判断该数据是Y、Cb还是Cr，从而得到Y、Cb、Cr各分量。
3．2 I2C总线配置模块
该模块通过I2C总线协议对SAA7113H进行配置，时钟频率为20 kHz。通过该模块完成SAA7113H配置。配置模块如图2所示。

其中，inicio_conf信号表示启动对SAA7113H进行配置，高电平有效。clk为时钟信号。reset为外部复位信号高电平有效。SCL和SDA为SAA7113H配置信号。CONFIGURACION_OK表示解码芯片配置好以后输出一个控制信号给控制模块，以启动数据采集。
SAA7113H的寄存器地址从00H开始，只有01H～05H前端输入配置部分，06H～13H、15H～17H解码部分，40H～60H常规分离数据部分，这些可读写，其余为保留地址或只读寄存器，将需要配置的寄存器数据存在查找表con_data中，并用count表示当前对哪个寄存器配置，配置时逐个写入寄存器。