1 方案设计
此视频采集显示系统事理框图如图1所示，该系统紧张包括视频采集模块、FPGA主控模块、数据缓存模块和HDMI接口电路。视频采集模块供应全高清视频数据源，在其开始采集之前须要FPGA主控模块通过SCCB（Serial Camera Control Bus）总线将摄像头配置信息发送到摄像头中的寄存器；FPGA主控模块是此系统的掌握核心，其掌握着摄像头、DDR3-SDRAM、HDMI接口芯片以及视频数据流；数据缓存模块以一块4 Gbit容量的DDR3-SDRAM作为缓存介质，能有效办理高速大容量数据的缓请安题；HDMI接口电路紧张包含一块HDMI接口芯片，其浸染是实现视频数据的并串转换；末了，串行视频数据通过HDMI传输线传输到支持HDMI接口的显示器上，就能实时显示全高清视频图像。
2 紧张硬件电路设计
2.1 视频采集模块
视频采集模块选用OmniVision公司OV5640摄像头，其为500万像素级别CMOS图像传感器，支持分辨率可达2K级别，能输出多种图像格式数据，且支持多种自适应调节功能。此CMOS图像传感器支持DVP和MIPI两种数据接口，本系统中选择DVP接口。在主控模块获取数据之前须要通过SCCB总线将传感器寄存器信息配置给传感器[7-8]。本系统中CMOS图像传感器图像数据输出格式配置为RGB24，视频分辨率配置为1 920×1 080(全高清)，视频帧率配置为30 f/s，此模块还包括数字和仿照供电电路。
2.2 FPGA主控模块
系统掌握核心选用的芯片是Xilinx公司Spartan6系列芯片XC6SLX45，第六代Spartan系列产品Spartan6 FPGA基于公认的低功耗45 nm、9-金属铜层、双栅极氧化层工艺技能，供应了高等功耗管理技能、150 000个逻辑单元、硬核DRAM存储器以及多种IP等，是Xlinx公司运用最为广泛、技能非常成熟的一个FPGA系列[9-11]。FPGA主控模块紧张完成摄像头的配置及视频数据获取、DDR3-SDRAM数据的存取以及HDMI接口芯片的配置以及视频数据发送，其硬件电路还包括供电电路、复位电路、晶振电路、下载电路和配置SPI Flash电路。
2.3 数据缓存模块
为理解决高速大容量视频数据的缓请安题，此系统选用Micron公司4 Gbit容量DDR3-SDRAM存储芯片MT41J256M16HA-125作为缓存介质，其与FPAG的硬件连接示意图如图2所示。A0～A14为地址总线，B0～B3为Bank地址，FPGA通过掌握地址总线和Bank地址就能掌握数据在DDR3-SDRAM中的存储位置；D0～D15为数据总线，与FPGA并行连接；CLK-N和CLK-P为差分时钟输入端口，本系统中设定时钟频率为312.5 MHz；FPGA通过列地址选择旗子暗记(CAS)、行地址选择旗子暗记(RAS)、写使能旗子暗记(WE)对DDR3-SDRAM进行读写掌握，通过掌握ODT使能片内电阻优化性能来防止数据线中断反射[12]；DQS为DDR3-SDRAM与掌握器之间的同步旗子暗记，其为双向旗子暗记，当写入数据时，其由掌握器发出，当读取数据时，其由存储器发出；DM为数据屏蔽旗子暗记[13]。由于Spartan6系列FPAG只有Bank1和Bank3有MCB硬核，在本系统中选择FPGA中Bank3与DDR3-SDRAM连接，端口电压标准为1.5 V，且在FPAG UCF中，须要设定IO标准为SSTL15_II。
2.4 HDMI接口模块
本系统中选用SiI9134作为HDMI输出接口芯片，其和FPAG的硬件连接关系如图3所示。在芯片事情之前，须要通过I2C(SCL、SDA)总线将寄存器信息配置到芯片里，配置过程中频率为100 kHz，数据输入格式配置为RGB24，视频输出分辨率配置为1 920×1 080；CLK为视频数据同步时钟，此芯片1080p视频格式的时钟为148.5 MHz，DE为数据有效旗子暗记，高电平有效；HS、VS分别为行同步旗子暗记和场同步旗子暗记；D[23:0]为RGB24数据输入总线，从上到下依次为R、G、B分量数据总线，为了支持其他视频数据格式，SiI9134的总线宽度为36 bit，此系统中只利用24 bit，别的的数据总线引脚接地；SiI9134支持多种数字音频旗子暗记输入接口，包括S/PDIF、I2S等，本系统中不该用音频接口。RGB24格式视频数据经SiI9134编码后，转换成串行数据后通过连接器和传输线将数据发送给显示器，终极显示出全高清视频。
3 掌握逻辑设计
本系统掌握逻辑设计中，包括OV5640配置及视频数据获取逻辑、DDR3-SDRAM数据存取掌握逻辑、SiI9134配置及视频数据发送逻辑。系统通过DVP口吸收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。系统事情流程如图4所示，上电后系统前辈行复位操作，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。所有初始化事情完成后，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 视频采集掌握部分
OV5640对上电的时序有一定的哀求，以是知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的事情模式，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；掌握OV5640须要先供应一个别系时钟XVCLK，为192 MHz，然后识别像素输出时钟（PCLK）、场同步旗子暗记（VSYNC）、行同步旗子暗记（HREF）来获取数据。场同步旗子暗记低落沿表示一帧数据的开始，行同步旗子暗记为高电平时为有效数据输出，在场同步旗子暗记低电平之间，行同步旗子暗记会涌现1 080次高电平，代表一帧数据有1 080行数据；在行同步旗子暗记处于高电日常平凡代会持续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缓存掌握部分
DDR3-SDRAM数据的存取利用了Spartan6系列FPGA供应的MIG IP核，同时也须要MCB硬核与外部的SDRAM芯片进行数据交流。在Xilinx编译环境ISE中天生SDRAM掌握器后，就可利用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。其事情状态示意图如图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，对付调用此缓存模块的逻辑来说，就相称于一个大容量的FIFO。在MIG IP核内部，采取乒乓操作的办法来提高缓存效率，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，依这次序循环读写，完成乒乓操作。这种缓存办法可极大提高视频数据缓存效率，有效办理高速大容量数据的缓请安题，一帧视频数据连续且不会涌现数据交叉的情形（地址不会交叉），避免了视频显示的拖影征象。
3.3 HDMI接口掌握部分
在HDMI事情之前，须要通过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，行同步旗子暗记的低落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，当一帧数据末了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为数据有效旗子暗记，高电平有效。
4 测试结果
硬件电路电气性能测试完成后，开始进行整体性能的测试，在整体性能测试之前，还须要对FPGA程序进行功能仿真和时序仿真，再对各个功能模块分别进行测试，确保代码准确无误。
4.1 DDR3-SDRAM测试
利用Xilinx公司供应的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，读写速率快且没有涌现数据乱码情形，符合系统哀求。
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，末了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，显示效果符合哀求。
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，数据经由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，视频显示清晰完全；当摄像头移动时，如图9(b)所示，图像显示无拖影征象，证明通过DDR3-SDRAM高效缓存和乒乓操作结合的办法，能够有效办理高速大容量数据的缓请安题。
5 结论
为了知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征象，该系统可运用于军用监控系统、民用多媒体系统以及医学等领域。
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作者信息:
王少斌，苏淑靖，袁财源
（中北大学 电子测试技能国家重点实验室，山西 太原030051）
