??一、 引言 ??隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用，對(duì)輸出的VGA信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)及傳輸?shù)膽?yīng)用需求越來(lái)越迫切。本文基于Ti公司的TMS320DM355處理器（簡(jiǎn)稱DM355）、AD公司的AD9883芯片，結(jié)合FPGA技術(shù)，提出了一種支持分辨率較高、性能優(yōu)良的視頻信號(hào)采集和接口電路方案。 ??該系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)輸出的XGA（1024x768）信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、編碼、傳輸，同時(shí)利用ADV7123芯片將VGA信號(hào)還原，在本地的顯示器進(jìn)行輸出，主要應(yīng)用于視頻會(huì)議，視頻教學(xué)系統(tǒng)中。由于VGA信號(hào)的采集涉及到AD9883［1］ ［2］芯片和FPGA中信號(hào)時(shí)序的轉(zhuǎn)換，及DM355的視頻處理前端（VPFE：Video Processing Front End）驅(qū)動(dòng)的修改，比較復(fù)雜，本文將對(duì)此作重點(diǎn)闡述。 ??二、 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) ??1． 方案選擇 ??本文采用TI公司的達(dá)芬奇系列芯片TMS320DM355來(lái)實(shí)現(xiàn)，這一方案的優(yōu)點(diǎn)在于： ??1）DM355內(nèi)部集成了ARM926EJ-S內(nèi)核、協(xié)處理器（MJCP）、視頻處理子系統(tǒng)及多種外設(shè)。ARM中移植嵌入式linux后可構(gòu)成一個(gè)良好的基于網(wǎng)絡(luò)的嵌入式產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，能方便的實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器的構(gòu)建和功能的擴(kuò)展。協(xié)處理器（MJCP）可實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體數(shù)據(jù)的編解碼。 ??2）DM355是一款低功耗的芯片，待機(jī)功耗僅為1mW，其電池的使用壽命是當(dāng)今業(yè)界相當(dāng)?shù)谋銛y式產(chǎn)品的2倍。 ??3）DM355是TI公司的一款中低檔芯片，在滿足性能要求的同時(shí)，其價(jià)格與同類芯片相比也很有優(yōu)勢(shì)。因此，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)，IP攝像機(jī)，數(shù)碼相片，醫(yī)學(xué)成像及視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。 ??DM355的視頻處理子系統(tǒng)包括視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端（VPBE：Video Processing Back End），視頻處理前端［3］用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等輸入的圖像信息，由CCD控制器、硬件圖像信號(hào)處理器、自動(dòng)曝光/聚焦模塊H3A和寄存器組成，支持的視頻輸入格式有如下三種： ??1） RAW格式。 ??2） BT.656格式。 ??3） YUV格式。 ??其中，RAW格式對(duì)于每個(gè)像素點(diǎn)只存儲(chǔ)RGB三原色中某一種顏色的值，在進(jìn)行色彩還原時(shí)因插值運(yùn)算會(huì)導(dǎo)致莫爾紋效應(yīng)；BT.656格式支持的視頻分辨率太低，因此，本系統(tǒng)的DM355處理器的視頻處理前端采用YUV格式進(jìn)行視頻采集，須將VGA信號(hào)通過(guò)硬件電路轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)格式。 ??2． 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ??圖1所示為VGA視頻采集系統(tǒng)框圖。 ?? 圖1 VGA視頻采集系統(tǒng)框圖 ??1）VGA輸入模塊。將RGB模擬信號(hào)及行同步信號(hào)（Hsync）、場(chǎng)同步信號(hào)（Vsync）輸入給A/D轉(zhuǎn)換模塊。由于該模塊由模擬電路組成，易產(chǎn)生噪聲，因此布線時(shí)接口器件應(yīng)盡量靠近A/D轉(zhuǎn)換芯片。 ??2）A/D轉(zhuǎn)換模塊。首先根據(jù)行、場(chǎng)同步信號(hào)確定采樣的行頻和場(chǎng)頻，接著由行頻和內(nèi)部寄存器確定像素同步時(shí)鐘，然后通過(guò)配置AD9883芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生同步時(shí)鐘。該模塊可將輸入的VGA模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為8bit×3路的數(shù)字視頻信號(hào)，并通過(guò)一系列寄存器調(diào)整圖像的采樣效果。 ??3） FPGA轉(zhuǎn)換控制模塊。一方面FPGA通過(guò)I2C總線向AD9883的寄存器寫入控制信息；另一方面將輸入的RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為DM355支持的YUV信號(hào)格式，將視頻信號(hào)送給DM355的視頻采集前端。 ??4）D/A輸出顯示模塊。該模塊采用ADV7123芯片將8bit×3路RGB數(shù)字信號(hào)還原為模擬信號(hào)，并結(jié)合行、場(chǎng)同步信號(hào)構(gòu)成VGA信號(hào)，供本地計(jì)算機(jī)顯示輸出。 ??三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ??1．VGA接口 ??VGA是一種D型接口，可傳輸VGA，SVGA，XGA，SXGA等圖像格式。VGA接口共有15條線，分為3組：一是RGB三色模擬信號(hào)輸入線；二是RGB三色地線，接地處理；三是時(shí)序信號(hào)線，分別是行同步信號(hào)線（Horizon Synchronizing，HS）和場(chǎng)同步信號(hào)線（Vertical Synchronizing，VS），這兩條線控制了VGA的顯示時(shí)序。 ??顯示器采用逐行掃描的方式進(jìn)行掃描，陰極射線槍發(fā)出的電子束打在涂有熒光粉的屏幕上，產(chǎn)生RGB三基色，由此合成一個(gè)彩色圖像。VGA顯示可分為行掃描和場(chǎng)掃描，從屏幕左上方開始掃描，從左到右，由上至下。每行掃描結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行行同步；當(dāng)整個(gè)屏幕的所有行掃描結(jié)束后，用場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行場(chǎng)同步，如圖2所示。在掃描過(guò)程中，CRT對(duì)電子束進(jìn)行消隱控制，在消隱過(guò)程中不發(fā)送電子束。在每行結(jié)束后，電子槍回掃的過(guò)程進(jìn)行行消隱；在每場(chǎng)結(jié)束后，電子槍回掃的過(guò)程進(jìn)行場(chǎng)消隱，整個(gè)屏幕變黑，光柵在這段內(nèi)重新回到屏幕的左上角，開始下一幀圖像的掃描。 ?? 圖2 VGA掃描時(shí)序 ??2． A/D轉(zhuǎn)換模塊 ??本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用AD9883，該芯片專門用于采集模擬R，G，B信號(hào)，將其數(shù)字化顯示或作為中間轉(zhuǎn)換器件使用。該芯片具有采樣精度為8bit×3路通道，最高采樣率為140MSPS/s，300MB的模擬帶寬，支持最高分辨率為SXGA（1280x1024），刷新率為75Hz的視頻信號(hào)。基于AD9883的電路可為高清電視提供良好的接口，或作為高性能視頻設(shè)備的前端掃描轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括A/D轉(zhuǎn)換電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、同步信號(hào)產(chǎn)生電路、I2C總線接口四個(gè)部分。 ?? 圖3 AD9883的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ??AD9883內(nèi)部的寄存器通過(guò)I2C總線完全可編程，芯片按照寄存器設(shè)定的模式進(jìn)行工作。如AD9883支持多種VGA格式，但不能自動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，需要通過(guò)I2C接口進(jìn)行寄存器配置，指定芯片采集的視頻格式。 ??經(jīng)AD9883轉(zhuǎn)換后，數(shù)字視頻信號(hào)輸出的時(shí)序如圖4所示。在數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘DATACK的下降沿對(duì)應(yīng)信號(hào)的采樣及量化，量化的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿穩(wěn)定的輸出；接口電路可在DATACK的上升沿準(zhǔn)確地鎖存圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化圖像的采集。值得注意的是，AD9883有一個(gè)數(shù)據(jù)輸出通道，在輸出數(shù)據(jù)有效之前必須清空通道，從而導(dǎo)致每行輸出有效數(shù)據(jù)之前將輸出4組無(wú)效的數(shù)據(jù)，可通過(guò)行同步信號(hào)HSOUT避免輸出這些無(wú)效數(shù)據(jù)。 ?? 圖4 AD9883數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖 ??3．FPGA設(shè)計(jì) ??本系統(tǒng)采用EP1C3T144C8將輸入的數(shù)字化的RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為YUV信號(hào)，送給DM355的視頻采集前端。FPGA以AD9883輸出的像素時(shí)鐘PCLK作為全局同步時(shí)鐘。 ??RGB和YUV是兩種常用的色彩空間。RGB色彩空間是采用R，G，B三個(gè)色彩分量來(lái)表示一個(gè)像素，常見的RGB格式有RGB565、RGB555、RGB24，本文中AD9883轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)據(jù)格式為RGB24，即每個(gè)像素用24位表示，RGB分量各使用8位。 ??YUV色彩空間是視頻傳輸中常采用的一種方法，其特點(diǎn)為亮度信號(hào)與色差信號(hào)分離。Y表示亮度信息，U表示藍(lán)色色差（即藍(lán)色信號(hào)與亮度信號(hào)的差值），V表示紅色色差（即紅色信號(hào)與亮度信號(hào)的差值）。常見的YUV格式有YUV 4:4：4，YUV4:2：2，YUV4:2：0，本系統(tǒng)中DM355的視頻處理前端接收的采集信號(hào)格式為YUV4:2：2。該格式為每個(gè)像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每?jī)蓚€(gè)像素采樣一次，在圖像數(shù)據(jù)流中，YUV分量排列如下：Y0 U0 Y1 V0 Y2 U1 Y3 V1 Y4 U2 Y5 V2 … …