基于ＦＰＧＡ的數字視頻轉換接口的設計與實現

引言

本文從實際應用的角度出發，采用FPGA作為主控芯片，設計了一款數字視頻接口轉換設備，該設備針對于MT9M11l這款數字圖像傳感器產生的ITU-R BT.656格式數據進行采集、色彩空間變換、分辨率轉換等操作，完成了從ITU-R BT.656格式數據到DVI格式數據的轉換，使得MT9M111數字圖像傳感器的BT656數據格式圖像能夠以1280×960(60Hz)和1280×1024(60Hz)兩種顯示格式在DVI-I接口的顯示器上顯示，并且還具有圖像靜止功能，在系統空閑時的待機狀態實現了整機的低功耗，適用于使用移動設備的工業現場。

整體方案設計

現實景物的采集與顯示過程如圖1所示。圖像傳感器MT9M111采集到現實景物后，將生成的ITU-RBT.656數據流由ITU數據輸出端口發送給視頻轉換接口。視頻轉換接口將ITU數據輸入端口送來的1TU-RBT.656數據流轉換成TMDS數據流發送，通過DVI-I端口發送給顯示終端顯示。本設計方案中，MT9M111輸出圖像的分辨率為1280×960。

在現實景物的采集與顯示過程中，視頻轉換接口功能的實現通過以下步驟來完成：

1)對收到的ITU-R BT.ITU656數據流解交織；

2)對解交織后的數據流進行色彩空間轉換；

3)將轉換后的每個像素的RGB值寫入存儲器中；

4)從存儲器中讀出像素的RGB值，并將其轉換成TMDS碼元序列；

5)從存儲器中讀出像素的RGB值，并將其轉換成VGA模擬信號值。

硬件構架設計

系統的硬件構架框圖如圖2所示。圖像傳感器輸出的ITU信號(包括YCbCr數據流、行場同步信號和像素時鐘)經ITU輸入接口送入FPGA主控芯片。FPGA主控芯片對ITU信號進行解交織和色彩空間轉換，再將轉換后的每個像素的RGB值寫入SDRAM存儲器。再由FPGA主控芯片按照輸出分辨率的要求從SDRAM存儲器中讀出像素的RGB值，并按照VGA的時序標準，將像素的RGB值發送給TMDS發送芯片和D/A芯片，由TMDS發送芯片提供視頻數據的數字通道，由D/A芯片提供視頻數據的模擬通道，共同匯集到DVI-I輸出接口，傳送到數字顯示器或模擬顯示器上顯示。

輸出圖像的分辨率要求FPGA與TMDS發送芯片之間傳送數據的帶寬在100M(像素/秒)以上，因此要求FPGA的速度足夠快。同時由于FPGA與外圍器件之間的互聯比較多，因此要求FPGA的引腳數足夠多。同時由于晶振提供的時鐘頻率為50MHz，滿足不了100M以上的傳輸速度，因此需要FPGA內部帶有鎖相環。另外，為了實現系統脫機工作，要求FPGA支持配置芯片。最后，考慮到系統占用的面積和以后版本的升級，要求FPGA的內部資源盡量豐富。為此，系統最終選用了Altera公司Cyclone系列FPGA。

考慮到視頻數據的存儲和顯示是同時進行的，而SDRAM存儲器是單端口器件，數據的寫入和讀出不能同時進行，故需要兩塊SDRAM同時進行乒乓操作來完成數據的連續讀寫。最終選用了Micron公司的型號為MT48LC2M3282TG-6的SDRAM存儲器；TMDS發送芯片選用的是Silicon Image公司的SiI164CT64型號。由于輸出圖像的分辨率要求FPGA與TMDS發送芯片之間傳送數據的帶寬在100M以上，這一數據流同時又要送入D/A芯片完成數模轉換，因此要求D/A芯片的轉換速率在100MHz以上。同時由于R、G、B的數據寬度都為8位，因此需要選用專用的圖像D，A芯片，它需要具有R、G、B三路數據通道，每路的寬度至少為8位。根據以上要求，系統最終選定CSEMIC公司的CSV7123型號的圖像D/A芯片。

FPGA功能設計

FPGA作為系統的主控芯片，是軟件設計的核心。根據整體方案的設計思路，FPGA主控芯片的工作過程為：首先接收由圖像傳感器送來的ITU-R BT.656格式的視頻數據流，經過解交織操作，將像素數據流中交織在一起的串行YCbCr值解成獨立的并行YCbCr值。然后對解交織的YCbCr值進行色彩空間轉換，轉換成對應的RGB值。接著將此RGB值存入一塊SDRAM存儲器。與此同時，從另一塊SDRAM存儲器中讀出像素的RGB值，并發送給TMDS發送芯片和D/A芯片，經過數字通道和模擬通道后，傳送到DVI顯示器或VGA顯示器上顯示。根據FPGA主控芯片的工作過程，設計的軟件功能框圖如圖3所示。

圖3中FPGA內部的工作時鐘有兩個，以圖中的虛線為界，虛線左側部分使用的時鐘為圖像傳感器的54MHz像素時鐘；虛線右側使用的時鐘是經過鎖相環將晶振的50MHz時鐘倍頻成108MHz以后的時鐘，其中108MHz的時鐘是由輸出圖像的分辨率所決定的。兩個時鐘域通過異步FIFO相連。整個系統共分成6個模塊：解交織模塊、YCbCr轉RGB模塊、異步FIFO模塊、乒乓操作模塊、SDRAM控制器模塊和VGA發送模塊。此外，系統還可實現圖像靜止、系統待機、模式選擇等功能。

圖像顯示效果

圖像顯示效果

圖4是輸出圖像分辨率為1280×960模式下的顯示效果，圖中顯示器檢測到的視頻圖像分辨率為1280×960。

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