基于FPGA機載實時視頻圖形處理系統的設計

尤 力，夏偉杰，周建江

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016)

隨著科技的高速發展，飛機對機載電子系統提出了越來越高的要求，飛機性能的改善在很大程度上依賴于機載電子系統性能的提升。在飛行器機載電子系統中，顯示系統是飛機與飛行員進行人機交互的橋梁，它將各種飛行參數轉換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實時讀取這些信息，從而做出判斷[1]。

文中設計了某機載視頻圖形處理系統的硬件電路部分，視頻圖形處理系統是機載顯示系統的子系統，用于在機載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實現了對高清視頻的縮放、格式轉換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實時性。

1 系統概況

1.1 系統需求

機載視頻圖形處理系統的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點陣式字符信號，進行視頻格式的轉換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號[2]。

系統接收 PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，數字視頻接口)制式的視頻信號和PCI-E(Peripheral Component Interconnect-Express，擴展外設部件互連標準)視頻信號，對視頻進行縮放、格式轉換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。

1.2 總體方案設計

結合系統需求，確定系統的總體設計方案為:以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，利用其強大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應的外部電路，構建出一個靈活、簡潔、可靠的機載視頻圖形處理系統的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX70T中內嵌的Power PC440硬核處理器，在該處理器上移植美國風河公司的Vxworks操作系統，通過操作系統管理網絡和PCI-E等接口，并在操作系統的基礎上，實現相應的圖形操作及視頻處理API(Application Programming Interface，應用程序編程接口)函數，用戶的應用程序通過調用API函數來構建最終的視頻輸出。

2 系統硬件模塊設計

2.1 硬件整體架構

根據設計要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應用而開發的。處理器內置主頻550 MHz的PowerPC 440內核、PCI-E端點和以太網等模塊[3]。系統硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2.2 視頻流圖

系統主要用于接收、處理并發送各種視頻信號，系統中視頻的流圖如圖2所示。由圖中可知，系統能接收1路DVI視頻，4路PAL視頻和1路PCI-E視頻，視頻經過專門的解碼器后，由FPGA對它們進行處理，然后通過相應的視頻編碼器輸出視頻信號。

圖2 系統視頻流向圖

2.3 DVI視頻編解碼模塊設計

系統的DVI視頻解碼采用TI公司的DVI解碼芯片TFP401實現，該芯片滿足DVI1.0規范，最高支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻[4]。另外考慮到機載視頻信號源與DVI接收器之間距離較遠，長線傳輸時信號的高頻分量比低頻分量衰減得更多，因此在DVI輸入信號解碼前加入均衡器以實現頻譜的均衡化，減小信號失真。系統采用美國國家半導體公司的DS16EV5110實現DVI視頻信號的頻譜均衡化，該芯片可以對DVI視頻信號的每一數據通道設定不同的均衡增益，具有高度的靈活性，可以有效減小信號的碼間串擾[5]。

系統的DVI視頻輸出功能采用TI公司的DVI編碼芯片TFP410實現，該芯片滿足DVI1.0規范，最高支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻[6]。

2.4 PAL視頻編解碼模塊設計

為便于PAL視頻信號的長線傳輸，系統采用差分信號傳輸PAL視頻。由于標準的PAL信號為單端信號，因此系統在PAL信號接收端采用美國AD公司的差分接收放大器AD8130來實現差分PAL信號轉換成標準單端PAL信號，而在PAL信號發送端則采用AD公司的高速差分驅動器AD8131實現單端PAL信號轉換成差分信號。

系統采用AD公司的PAL解碼芯片ADV7184對單端PAL視頻信號進行解碼，該芯片具有12個模擬輸入通道，內置4個10位ADC，實際解碼后視頻信號支持 ITU-R BT.656 標準(YCrCb 4:2:2)[7]，經色彩空間轉換后R、G、B分量均可達到8位分辨率，即PAL視頻解碼后可達24位真彩色。

系統采用AD公司的PAL編碼芯片ADV7179來實現 PAL視頻信號的輸出，該芯片支持 ITU-R BT.656標準的標準數字視頻輸入，與PAL解碼芯片ADV7184實現了很好的兼容，使得系統對PAL信號進行處理較為方便。ADV7179內置3個10位DAC，編碼后輸出視頻支持24位真彩色[8]。

2.5 DDR2視頻緩存模塊設計

由于系統中需要對輸入的視頻進行疊加字符及幀速率轉換等處理，因此需要對輸入的視頻數據進行緩存。選擇美國Microsemi公司的DDR2 SDRAM芯片W3H32M72E-400作為視頻緩存，該芯片存儲容量為256 MByte，傳輸速率為 50 MByte·s-1[9]。

系統中需要處理的視頻最高分辨率為1 600×1 200，因此一幀視頻數據包含1 920 000個數據點，即大約2×106個數據點，而每個數據點占2 Byte存儲空間，即一幀視頻約占4 MByte存儲空間。一片視頻緩存芯片最少可存儲64幀視頻數據，滿足一般的幀速率轉換算法的存儲空間需求。系統所選DDR2芯片的傳輸速率為50 MByte·s-1，因此視頻最高傳輸速率為50×64/4=800幀·s-1。而系統中視頻的最高刷新率為60 Hz，視頻的最高傳輸速率已遠大于輸出視頻的最高顯示幀速率，符合系統的實時性要求。

3 測試結果及分析

在系統運行試驗中，XC5VFX70T選取時鐘頻率200 MHz，屏幕分辨率為1 600×1 200，系統分別對圖形生成和視頻處理等功能進行了測試，并進行了系統聯調。

在圖形生成測試中，測試結果圖如圖3所示，圖中分別顯示了反走樣直線、圓弧、圓和天地球，天地球上顯示了一個直立字符和一個旋轉字符，生成該幅畫面共耗時 984.6 μs，其中讀寫 DDR2 耗時 862.7 μs。當屏幕刷新率為60 Hz時，一幅畫面允許的生成時間為16.7 ms，圖形生成滿足系統的實時性要求。

圖3 圖形生成測試結果圖

在視頻解碼、處理、編碼測試過程中，一幀視頻的處理時間最長不超過3 ms，肉眼觀察各種格式的視頻輸出時無明顯時延，符合系統的實時性要求。在系統聯調中，系統能輸出疊加各種高像素符號圖形的高清視頻，輸出分辨率可達1 600×1 200，輸出視頻場頻可達60幀·s-1，輸出視頻質量高而流暢，無明顯的干擾和延遲。

4 結束語

文中給出了基于FPGA的某機載實時視頻圖形處理系統的硬件電路總體設計方案，并詳細論證了系統中DVI視頻編解碼模塊，PAL視頻編解碼模塊以及DDR2視頻緩存模塊的硬件實現方法。系統選用了多種新型芯片，構建了一個靈活、簡潔、可靠的硬件平臺，實現了對DVI、PAL等多種制式的視頻的解碼，實時處理和編碼輸出，并且具有較強的擴展性。系統測試結果表明，系統支持1 600×1 200分辨率，60幀·s-1刷新率，24位真彩色高清視頻的流暢處理，對1幀視頻的處理時間最長不超過3 ms，能夠有效提高機載視頻圖形的處理速度，具有良好的應用價值。

[1]舒若.機載電子綜合顯示系統圖形反走樣技術的研究[D].南京:南京航空航天大學，2003.

[2]馮杰.基于DSP的視頻數字化實時處理及LCD字符圖形發生軟件系統研制[D].南京:南京航空航天大學，2004.

[3]Xilinx Inc.Virtex-5 Family Overview(DS100 v5.0)[M].USA:Xilinx Inc，2009.

[4]Texas Instruments.TFP401A Datasheet(SLDS120B)[M].USA:Texas Instruments，2003.

[5]National Semiconductor Corporation.DS16EV5110A Datasheet[M].USA:National Semiconductor Corporation，2009.

[6]Texas Instruments.TFP410 Datasheet(SLDS145A)[M].USA:Texas Instruments，2002.

[7]Analog Devices.ADV7184 Datasheet[M].USA:Analog Devices，2007.

[8]Analog Devices.ADV7179 Datasheet[M].USA:Analog Devices，2009.

[9]Microsemi Corporation.W3H32M72E-XSB2X[M].USA:Microsemi Corporation，2010.