基于FPGA的全高清视频采集显示系统设计方案

基于FPGA的全高清视频采集显示系统设计方案

0 引言

1 方案设计

2.1 视频采集模块

2.2 FPGA主控模块

2.3 数据缓存模块

2.4 HDMI接口模块

3 控制逻辑设计

本系统控制逻辑设计中，包括OV5640配置及视频数据获取逻辑、DDR3-SDRAM数据存取控制逻辑、SiI9134配置及视频数据发送逻辑。系统通过DVP口接收RGB24格式的视频数据，然后将视频数据分区域存入DDR3-SDRAM中，再将视频数据从中读出发送给HDMI接口芯片供显示屏显示。系统工作流程如图4所示，上电后系统先进行复位操作，然后进入初始化状态，系统给OV5640和SiI9134发送配置信息，DDR3-SDRAM也开始进入初始化和校验过程。所有初始化工作完成后，系统判断OV5640是否配置结束，如果配置结束，系统将获取视频数据，并将其存入DDR3-SDRAM中。当缓存区有数据且SiI9134配置结束后，系统将缓存区的视频数据读出发送给SiI9134。

3.1 视频采集控制部分

OV5640对上电的时序有一定的要求，所以满足此上电时序的模块是必不可少的，完成初始化后，先确定OV5640的工作模式，通过SCCB总线就能完成，此系统中配置了303个寄存器；待OV5640配置完成和DDR3-SDRAM初始化和校准完成后，就可获取视频数据；控制OV5640需要先提供一个系统时钟XVCLK，为192 MHz，然后识别像素输出时钟（PCLK）、场同步信号（VSYNC）、行同步信号（HREF）来获取数据。场同步信号下降沿表示一帧数据的开始，行同步信号为高电平时为有效数据输出，在场同步信号低电平之间，行同步信号会出现1 080次高电平，代表一帧数据有1 080行数据；在行同步信号处于高电平期间会持续1 920个像素输出时钟，代表每一行有1 920个像素点。

3.2 DDR3-SDRAM缓存控制部分

DDR3-SDRAM数据的存取使用了Spartan6系列FPGA提供的MIG IP核，同时也需要MCB硬核与外部的SDRAM芯片进行数据交换。在Xilinx编译环境ISE中生成SDRAM控制器后，就可运用MIG IP核用户接口进行数据存取，本系统中MIG IP核配置成两个位宽为64 bit的双向端口，一个端口用于写数据，一个端口用于读数据。其工作状态示意图如图5所示，在MIG IP核的前端和后端分别加入一个写数据FIFO和读数据FIFO，对于调用此缓存模块的逻辑来说，就相当于一个大容量的FIFO。在MIG IP核内部，采用乒乓操作的方式来提高缓存效率，在缓存的过程中，将4 Gbit容量的存储区域分为N个区域，每个区域的容量为一帧视频数据的容量，在写入过程中，先将数据写入第1区域，第1区域写满后开始写下一区域（为第2区域，写下一区域时确保该区域数据为空），此时就可以读取第1区域的数据，第1区域读完再读下一区域（为第2区域，在读下一区域时确保该区域数据已满）数据，依此顺序循环读写，完成乒乓操作。这种缓存方式可极大提高视频数据缓存效率，有效解决高速大容量数据的缓存问题，一帧视频数据连续且不会出现数据交叉的情况（地址不会交叉），避免了视频显示的拖影现象。

3.3 HDMI接口控制部分

在HDMI工作之前，需要通过I2C总线给寄存器配置数据，数据格式配置为RGB24，分辨率为1 920×1 080，视频帧率为30 f/s。配置完成后，缓存区一数据满时，就可读取视频数据按照特定时序发送给SiI9134，SiI9134数据发送时序如图6所示，行同步信号的下降沿代表一帧视频数据的开始，上升沿代表一帧数据的结束，当一行数据发送完后开始发送下一行数据，当一帧数据最后一行发送完成后再发送下一帧画面的第一行数据。以此重复循环发送数据，DE为数据有效信号，高电平有效。

4 测试结果

4.1 DDR3-SDRAM测试

利用Xilinx公司提供的ChipScope Pro工具对DDR3-SDRAM代码进行测试，测试过程中，由系统内部产生递增数写入到写数据FIFO中，然后从读数据FIFO中读取数据，将写入的数据和读出的数据通过ChipScope Pro工具抓取，再对抓取结果绘出波形并进行比对，测试结果如图7所示。从测试结果来看，读写速度快且没有出现数据乱码情况，符合系统要求。

4.2 HDMI接口测试

HDMI接口模块测试结果如图8所示，测试过程中，视频数据源由系统内部产生，包括三基色、棋盘格、彩色条等数据，最后将串行数据发送到支持1080p分辨率的显示器上。从测试结果来看，显示效果符合要求。

4.3 系统整体测试

图9所示为系统整体测试结果，测试过程中，视频数据源为摄像头采集的视频数据，数据经过DDR3-SDRAM缓存，再发送到HDMI接口芯片，然后通过HDMI连接器和传输线将差分数据传输给显示器。从测试结果来看，如图9(a)所示，视频显示清晰完整；当摄像头移动时，如图9(b)所示，图像显示无拖影现象，证明通过DDR3-SDRAM高效缓存和乒乓操作结合的方式，能够有效解决高速大容量数据的缓存问题。

5 结论

为了满足人们对视频显示质量的需求，本系统设计了一种全高清视频采集显示系统，系统以OminiVision公司的500万像素级别CMOS图像传感器OV5640为前端采集摄像头，以Xilinx公司Spartan6系列FPGA作为主控芯片，以4 Gbit容量DDR3-SDRAM作为缓存芯片，再结合MCB硬核、MIG IP核以及乒乓操作，实现视频数据的高效缓存；同时以Silion Image公司的SiI9134为HDMI芯片，能有效支持全高清视频。系统能够稳定采集显示全高清视频，显示质量高且无拖影现象，该系统可应用于军用监控系统、民用多媒体系统以及医学等领域。

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