視頻采集存儲系統(tǒng)的FPGA設(shè)計

肖姍姍，謝 云，龐海燕

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006)

常見的藥片包裝可以分為瓶裝、袋裝和鋁塑泡包裝三種，由于藥征在實際生產(chǎn)過程中要經(jīng)過填藥、壓封、切割、區(qū)分等一系列復(fù)雜的流水線作業(yè)，難免會產(chǎn)生藥片的漏裝、碎裝等現(xiàn)象。而傳統(tǒng)的檢驗方式依賴人工目測來進(jìn)行，這種工作方式勞動強(qiáng)度大且檢測效率低，不利于企業(yè)在市場中的競爭。因此，本文設(shè)計一種基于FPGA和圖像處理技術(shù)的檢測系統(tǒng)的前端處理系統(tǒng)，以Xilinx公司的SOPC(System on Programmable Chip)技術(shù)為背景，利用Virtex4 FPGA為物理實現(xiàn)載體，采用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計了基于SOPC的圖像采集存儲系統(tǒng)[1-2]。該設(shè)計降低了整個藥片處理系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使藥片檢測的實時性得到極大地提高。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖1所示為視頻圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主要分為：CCD控制采集模塊、DDR-SDRAM讀寫模塊、圖像處理模塊和VGA顯示模塊。系統(tǒng)的處理過程由I2C配置的視頻解碼芯片TVP5150對攝像頭輸出的模擬視頻信號進(jìn)行解碼，并傳輸給圖像采集模塊。采集模塊對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，進(jìn)行去交織處理，將隔行采集的數(shù)據(jù)逐行存儲到DDR-SDRAM顯存中，而VGA顯示部分則從DDR-SDRAM中讀取數(shù)據(jù)顯示。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

(1)外部存儲擴(kuò)展

系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)為：720 bit×625 bit×30 bit=13 500 000 bit，由于要存儲的視頻數(shù)據(jù)量大，而Virtex4的片內(nèi)存儲容量有限且掉電即失，因此必須配置大容量的外部儲存器。本設(shè)計擴(kuò)展了 2 MB的 Flash和 16 M×32 bit的 DDRSDRAM，其中Flash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)[3]。而SDRAM掉電數(shù)據(jù)即失，但其存取速度大大高于Flash且可讀寫[4]。因而在系統(tǒng)中用作程序的運行空間、臨時數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)等。圖2所示為基于MicroBlaze處理器構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)。

圖2 基于MicroBlaze構(gòu)建的嵌入式系統(tǒng)

(2)視頻采集模塊

TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗的高性能混合信號視頻解碼芯片，可自動識別NTSC/PAL/SECAM制式的模擬信號。并將其按照YCbCr4：2：2的格式轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。然后以8位內(nèi)嵌同步信號的ITU-RBT.656格式輸出。TVP5150具有價格低、體積小、操作簡便等特點。FPGA對TVP5150芯片的操作是通過I2C總線實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)傳輸連接方式采用最簡單的ITU-RBT.656方式。

2 視頻采集設(shè)計

MicroBlaze處理器對TVP5150控制驅(qū)動程序可從驅(qū)動程序模版移植而來，可用于實現(xiàn)采集方式的配置，并將采集的視頻信號存儲到環(huán)形緩沖區(qū)[5]。外部模擬視頻信號經(jīng)TVP5150轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號后，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)隊列的隊尾。當(dāng)MircoBlaze處理器接收到處理器可用中斷時，系統(tǒng)將檢測環(huán)形緩沖區(qū)是否為空。非空時，可將數(shù)據(jù)隊列的頭部數(shù)據(jù)取出送給處理模塊，同時啟動處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。視頻信號經(jīng)過處理模塊后，即可進(jìn)入FPGA內(nèi)部二級FIFO緩存。當(dāng)FIFO先一級滿時，向MircoBlaze處理器發(fā)出數(shù)據(jù)輸出中斷請求。

MircoBlaze處理器響應(yīng)來自FIFO的中斷后，可將FIFO先一級數(shù)據(jù)取出并存儲在DDR-SDRAM中。然后清空FIFO先一級。MircoBlaze處理器的采集應(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)動程序，清空環(huán)形緩沖區(qū)和二級FIFO，檢測處理模塊，然后啟動對TVP5150的控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最后啟用外部中斷。

(2)處理模塊可用中斷服務(wù)

處理模塊處理完一幀數(shù)據(jù)編碼即可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷。然后由MircoBlaze處理器控制處理模塊向環(huán)形緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)，并在環(huán)形緩沖區(qū)耗盡時等待一定時間。

(3)數(shù)據(jù)可輸出中斷服務(wù)

當(dāng)二級FIFO先一級所準(zhǔn)備輸出的碼流滿時，可向MircoBlaze處理器發(fā)出中斷。然后在MircoBlaze處理器控制下，將數(shù)據(jù)存儲在DDR-SDRAM，最后再清空FIFO先一級。圖3所示為應(yīng)用程序流程圖。

圖3 應(yīng)用程序流程圖

3 視頻存儲控制設(shè)計

DDR控制器模塊可直接與DDR-SDRAM進(jìn)行交互，因此在時序控制上要求更精確、更嚴(yán)格。在本設(shè)計中，使用Xilinx的DDR-SDRAM控制器的IP核來實現(xiàn)。

整個存儲系統(tǒng)控制邏輯可以分為4個模塊，分別是時鐘產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出緩存模塊、DDR-SDRAM控制模塊。其中，數(shù)據(jù)接口模塊將來自外部的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖重排、時鐘域的轉(zhuǎn)換，并且產(chǎn)生寫、讀數(shù)據(jù)所需要的指令地址信號；數(shù)據(jù)輸入輸出緩存模塊將來自數(shù)據(jù)接口模塊的同步數(shù)據(jù)、地址緩存在FIFO中，隨時供DDR-SDRAM控制器讀取，并將讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖；而DDR-SDRAM控制器利用了FPGA內(nèi)部的DLL模塊，給系統(tǒng)提供了2個時鐘CLK和CLK2X，改善了時鐘性能，減少時鐘抖動，以產(chǎn)生使DDR-SDRAM按預(yù)期方式工作所需要的控制信號。圖4所示為圖像幀存控制模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖4 圖像幀存控制模塊結(jié)構(gòu)圖

DDR-SDRAM控制器主要是在系統(tǒng)上電過程及系統(tǒng)意外復(fù)位發(fā)生時，對控制器進(jìn)行初始化設(shè)置[6]。在系統(tǒng)正常工作時，進(jìn)行系統(tǒng)讀、寫請求指令的接受與應(yīng)答，對系統(tǒng)訪問地址的采樣與同步完成所需的狀態(tài)轉(zhuǎn)換、時序同步等任務(wù)，為接口模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并為系統(tǒng)提供控制器狀態(tài)指示信號，同時調(diào)整對應(yīng)讀寫操作的DQS信號時序。在設(shè)計中依據(jù)控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖像，可使用Xilinx DDR-SDRAM控制器IP核來實現(xiàn)。

在IP核的生成中，F(xiàn)PGA芯片采用Virtex-4系列的XC4VSX25，DDR-SDRAM型號為 Infineon_DDR_HYB25D2 56800AT_T，連接在OPB總線上，該款內(nèi)存條支持最高工作頻率為100 MHz，數(shù)據(jù)位寬為32 bit。13位模式寄存器的設(shè)置如下∶0_0100_0011_0010，即 BL(BurstLength)=4，CL(CASLateney)=3，BT(BurstType)=1(順 序 方 式 )，twr(WriteReeove)=3。當(dāng)所有相關(guān)設(shè)置完畢之后，點擊“Generate”就能生成DDR-SDRAM接口的IP核。生成的存儲系統(tǒng)配置如圖5所示。

在Xilinx的EDK仿真軟件中，F(xiàn)PGA仿真器將DDR的BIT文件下載到FPGA內(nèi)運行，如圖6所示。

4 應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)果驗證

以藥片作為該系統(tǒng)的檢測對象，在MicroBlaze的控制下，攝像頭讀取圖片并存儲于DDR-SDRAM中，后經(jīng)圖像處理模塊處理，CCD攝像頭采集到的原始圖像與輪廓跟蹤后圖像對比如圖7、圖8所示。

本文設(shè)計了基于SOPC的圖像采集存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為基于FPGA的藥片檢測系統(tǒng)的前期設(shè)計充分利用了FPGA內(nèi)部預(yù)先嵌入的軟核MicroBlaze，與一般使用“單片機(jī)+DSP”的多核圖像處理系統(tǒng)比較，減少了系統(tǒng)所需的器件、縮小了系統(tǒng)的板上面積。采用軟硬件協(xié)同設(shè)計的方法，明顯降低了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，同時提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使藥片檢測的實時性得到極大地提高。

[1]韋存剛，金星.基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集和控制模塊設(shè) 計[J].微 計 算 機(jī) 信 息，2008，6(2)∶231-232.

[2]李鶯.DDR SDRAM控制器的設(shè)計及 FPGA實現(xiàn)[J].攀枝花學(xué)院學(xué)報，2007，24(6)：33-37.

[3]吳健軍，初建朋，賴宗聲.基于 FPGA的 DDR SDRAM控制器的實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息，2006，22(1)：164-165.

[4]鄭佳，李永亮，李娜.基于FPGA的DDR控制器的實現(xiàn)[J].無線電工程，2007，37(10)：27-29.

[5]薛林.高速 PCI數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[6]劉瑰，朱鴻宇.通用 DDR SDRAM控制器的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2004(8)：23-24.