数据采集 计算机测量与控制 . 2 0 0 3 . 1 1 ( 6 ) 　 Computer Measurement & Control 　 　 ·451 · 文章编号 :1671 - 4598 (2003) 06 - 0451 - 04 　　　　　　中图分类号 : TP391 　　　　　　文献标识码 :B FPGA 控制实现图像系统视频图像采集 (1. 四川大学 电子信息学院 , 四川 成都 　610064 ; 2. 重庆大学 光电工程学院 , 重庆 　400044) 杨朋林1 , 张晓飞2 摘要 : 介绍了一种以 DSP 为核心的图像系统中 , 以 FP GA 为数据采集逻辑控制单元 , 用 DSP 控制实现了黑白全电 视信号图象数据采集 。在介绍了系统组成原理的基础上 , 详细讨论了采集部分的结构和 FP GA 的控制逻辑 , DSP 响应 中断实现数据转移和存储 。采用 FP GA 实现视频信号数据采集 , 可提高系统性能 , 同时具有适应性与灵活性强 , 设计 、 调试方便等优点 。通过系统成像实验 , 已获得清晰的图象 。 关键词 : 数据采集 ; DSP ; FP GA ; 视频信号 FPGA Control to Realize Video Signal Collection in Imaging System YAN G peng lin1 , ZHAN G Xiao fei2 (1. College of Electronic Information , Sichuan University , Chengdu 　610064 , China ; 2. Optoelectronic Engineering College , Chongqing University , Chongqing 　400044 , China) Abstract : In imaging system , FP GA is used as a main logic unit , and DSP control to realize the data acquisition for black - white video signal. The principal of imaging system is introduced. Three parts is expounded in details , such as construction of acquisition part , control logic of FP GA , DSP control and Interrupt respond. Using FP GA to realize video signal collection will en hance the system capability , and easy to design and debug. It also has such advantages as adaptability and flexibility. Clear image is obtained from experiments using this imaging system. Key words : data acquisition ; FP GA ; DSP ; video signal 1 　引言 通过对 CMOS 图像传感器输出的黑白电视信号 进行视频采集 , 获得数字图像信号 , 实现数字图像的 处理 。该系统采用 PC 机和基于 DSP 的数字信号处理 板 (数字板) 构成主从式成像系统 。采用计算机作为 主机 , DSP 作为辅助机的主从式结构 。文章主要介绍 系统的视频图像采集部分采用 FP GA (现场可编程门 阵列) 进行逻辑控制实现视频图像采集的原理及实 现 。 2 　系统组成及基本原理 一个完整的成像系统不但要具备图像信号的采集 功能 , 能对图像进行实时显示 2 , 且要求完成图像信 号的分析 , 处理算法 (如图像压缩 、图像识别等) 以 及图像处理结果的反馈控制 。通常 这些算法的运算量大 , 同时又要满 足实时显示的要求 , 因此采用高速 DSP 芯片作为数据核心处理单元 。 收稿日期 :2002 - 12 - 06。 作者简介 :杨朋林 (1975 - ) ,男 ,四川 省雅安县人 ,硕士 ,主要从事通信理论 , 数字信号处理 ,数字图像处理方面的研 究 。 另外 , 要求系统满足通用性的同时 , 针对不同的应用 和不断出现的新处理方法 , 还要使系统便于功能的改 进和扩展 。为此 , 我们以 PC 机为主机 , 以 TI 公司 的 DSP ( TMS320C6201) 作为数字信号处理板的核 心 1 , 用 FP GA 作为系统数据采集的控制部分 , 设计 出实时图像处理系统 。图 1 是基于 DSP 的实时图像 系统的原理图 。文章将详细阐述该系统数据采集部分 的实现方法 。 3 　视频信号采集部分的实现原理 3 1 　信号说明 黑白复合视频图像信号通常由图像信号 、消隐信 号以及同步信号共同组成 。我们采用黑白电视信号作 为模拟输入 , 以 FP GA 作为采集系统的控制单元进行 逻辑控制实现采样 。图 2 是复合视频图像信号波形 , 图 1 　基于 DSP 的实时图像系统的原理图 

1 1 　·452 · 计算机测量与控制 　 第 11 卷 图 2 　复合视频图像信号波形示意图 黑白电视信号说明如下 3 : (1) 扫描方式为隔行扫描 ; (2) 每秒 50 场 , 场周期为 20 ms , 每场 312 5 行 , 行周期为 64μs ; (3) 黑白电视信号由图象信号 , 复合消隐脉冲 , 复合同步脉冲组成 , 场消隐期宽度为 25 个行同期 , 场同步脉冲宽度为 2 5 个行周期 , 行消隐期宽度为 12μs , 行同步脉冲宽度为 4 7μs。 由于系统采用逐场逐行采集电视信号 , 并且要求 控制所采集的图像大小为 128 ×128 像素 , 因此必须 对视频信号的同步信号进行分离 , 提取视频信号的同 步信号 , 以便采集部分的实现 。 3 2 　视频信号复合同步信号提取电路 我们采用视频同步分离器 L M1881 芯片来完成这 5 ～ 2 V 标 准 负 极 性 一功 能 , L M1881 可 以 从 0 N TSC 制 、PAL 制或 SECAM 制视频信号中提取组合 同步 、场同步 、奇偶场识别等信号 , 这些信号都是进 行图像数字采集所需要的同步信号 , 有了它们 , 才能 确定在哪一场 、哪一行 。因此我们选用 L M1881 来获 取复合同步信号 。采用 L M1881 同步提取电路 , 能够 十分方便地提取采集同步信号 , 且电路十分简单 , 该 部分的电路图和信号波形如图 3 所示 。其中 Vin 是标 准视频信号 , Hs 为行同步信号 , Vs 为场同步信号 , ODEV 为奇偶场信号 。 图 4 　视频同步信号波形图 双口 RAM 来实现数据交换的 , 双口 RAM 的容 量为 4 K ×32 bit 。双口 RAM 作为图像数据的中间存储 区 , 图像采集部分由 DSP 负责启动控制及采集数据 的读取 。为了实现图像的实时采集与处理 , 应当使对 图像信号的采集与外部对图像的读取能够同时进行 , 因而将 4 K 的双口 RAM 划分成两块图像数据缓存区 域 , 假设前 2 K 为 RAM - 1 , 后 2 K 为 RAM - 2 。在系 统工作的任一时刻 , 一块缓存用于图像的采集 , 采集 部分向该存储区写图像数据 ; 另一块用于外部对图像 数据的读取 , DSP 可以读取该存储区中的图像数据 。 双缓存结构的一个重要特点在于 DSP 对存储区的数 据操作是随着双口 RAM 存储地址来回切换的 。当 AD 转换数据写满 RAM - 1 时 , FP GA 会向 DSP 发出 一个中断信号 , 此时 , DSP 读取 RAM - 1 中的数据 , 同时 , AD 转换数据写入 RAM - 2 , 当 RAM - 2 中的 数据写满时 , FP GA 会向 DSP 发出一个中断信号 , 此时 , DSP 读取 RAM - 2 中的数据 , 同时 , AD 转换 数据写入 RAM - 1 , 如此交替 , 实现数据的写入与读 取同时进行 。由于 DSP 读取双口 RAM 中数据的速度 远远大于 AD 转换写入数据的速度 , 就允许采集与外 部访问的同时进行 , 采用两块存储区操作的乒乓式切 换 , 满足数据实时交换的要求 。 系统的工作过程为 : (1) DSP 通过 ENAD 信号 控制采集系统的运行 , 当 ENAD = 1 , 数据采集系统 开始工作 , 数据通过 AD 不断地送入双口 RAM , 且 双口 RAM 每隔 2 K 发出一个中断 , 通知 DSP 读取前 一段已完成转换的数据 ; (2) 当 ENAD = 0 , 即系统 停止工作 , 采集时钟为低电平 , 存储器片选均为低电 平 (片选为高电平有效) , 整个系统处于低能耗的待 命状态 。 3 4 　FP GA 采集控制部分的逻辑结构 实际上一场视频图像的奇行场和偶行场分别为 5 行 , 场消隐期宽度为 25 个行周期 , 由于我们 312 采集的行数一定 , 因而只需对奇行场进行采集即可 , 为使图像的采集行范围不落入场消隐期中 , 我们确定 一场的采集从场同步滞后 32 个 Hs 脉冲开始 , 采集 128 行后停止 , 这样可以保证不会采到消隐电平 。图 像每行时间为 64μs , 其中行消隐期宽度为 12μs , 行 图 3 　L M1881 复合同步信号提取电路及信号波形 图 4 是实际提取的视频同步信号波形 , 可以看 出 , 我们采用 L M1881 可以获得很好的视频同步信 号 , 为视频信号采集提供了好的控制信号 。 3 过程 3 　FP GA 与 DSP 数据交换部分的工作原理及工作 由图 1 可以看出 , DSP 与 FP GA 中是采用一个 

3 3 ·453 ·　 2 2 2 第 6 期 杨朋林 : FP GA 控制实现图像系统视频图像采集 7 μs 的行同步头 , 行同步头在消隐期 消隐期中有 4 中的位置一般靠前 。我们确定从采集行行同步滞后 7 μs 后开始采集 (滞后时间可视具体信号稍加调整) , 2μs。可 采集时钟为 6 以用 一 个 6 分 频 的 计 数 器 , 将 40M 的 输 入 时 钟 CLOC K 变换为 6 66 M 的采集时钟 AD - CL K。 66 M Hz , 采 128 个点需要 19 根据 3 3 中说明的系统工作过程 , FP GA 的控制 逻辑过程为 : 当 ENAD = 0 时 , 采 集 系 统 停 止 工 作 , 这 时 L IN E = 0 , ENCA = 0 , 因而没有 AD 转换信号 , 同时 地址发生器不计数 。 当 ENAD = 1 时 , 系统处于采集状态 , 采集一场 图像的过程为 : 首先 ENAD 与 Hs 通过 AD 启动控制部分合成 , 使 AD 启动 , 只有 Vs 上升沿到来后 , 才让 Hs 通过 , 从而保证采集的图像为完整的一帧图像 。当 Vs 上升 沿到来后 , 对所有计数器及触发器清零 。Vs 上升沿 后 , 场消隐延时用来对 Hs 计数 , 以保证计数 32 周 期后 , 场消隐期已过 , 可以采集图像 。行同步计数器 对 Hs 进行计数 。在计数的每一行中 , 当 Hs 上升沿 到来时 , 行消隐延时对 AD - CL K 计数 , 计数到 32 时 , 此时行消隐已过 , 点同步计数器开始对 AD - CL K计数 。当行同步计数达到 128 后停止计数 , 此 时一帧图像采集完毕 。等待下一个 Vs 到来 。 图 5 为 FP GA 采集控制部分逻辑原理图 。设计采 用原理图输入法 , 对设计文件进行了仿真和时序分 析 , 其时序特性符合所需的时序要求 , 该系统选用的 FP GA 器 件 是 Xilinx 公 司 的 Spartan XL 系 列 XSC2000 , 在 Foundation 3 1i 上完成设计 , 且下载到 芯片验证 4 ,5 。同时 , 根据不同的输入控制信号和控 制要求 , 只要对 FP GA 内部的逻辑结构稍作修改 , 便可实现新的控制 。 图 6 是 FP GA 输出的 AD 控制信号 。其中 , AD - IN T 是中断响应信号 , ENCA 是 AD 转换控制信号 。 图 5 　FP GA 采集控制部分逻辑原理框图 图 6 　FP GA 输出的 AD 控制信号图 3 5 　DSP 实现中断控制取数 FP GA 每采集 2 K 数据所发出的中断信号 AD - IN T 与 DSP 的外部 IN T7 相连 , 用于实现 DSP 的中 断取数 , 由于 FP GA 每隔 2 K 发出一个中断 , 且双口 RAM 的大小为 4 K , 因而必须采用中断实现取数 。具 体实现为在 DSP 内设置中断 , 当外部中断信号来到 时 , 则响应中断服务程序 , 执行中断响应 。如此反 复 , 直到完成一帧图像采集 。 该系统 DSP 的中断控制部分采用 ANSI C 语言编 写 , DSP 中断主程序及中断响应服务程序如下 (读 取一帧图像) : A - flag = 0 ; count = 8 ; void main () { . . . . . . ICR| = 0x80 ; IER| = 0x0083 ;/ / enable int 7 (start - int) CSR| = 1 ; (unsigned volatile int ) ADADDR = 0x1F ;/ / ad start while (1) / / waiting for intrupt { if (count = = 0) break ; } (unsigned volatile int ) ADAD DR = 0x0 ; / / ad stop CSR = 0x100 ; / / disable all inter rupts IER = 1 ; / / disable all interrupts except NMI ICR = 0xffff ; / / clear all pending interrupts . . . . . . } interrupt void start - int ( ) / / inter rupt service program { 　if (A - flag = = 0) { 　while (b0 < 0x2000) 

　·454 · 计算机测量与控制 　 第 11 卷 　　{ 　 signed volatile int (unsigned volatile int ) (0x400000 + b1) = (un 性 。具体表现为 : ) (0x1400000 + b0) & 0xFFF ; 　　 b0 = b0 + 4 ; 　　 b1 = b1 + 4 ; } 　　A - flag = 1 ; } else if (A - flag = = 1) { 　　while (b0 < 0x4000) 　　 { ( unsigned volatile int ) (0x400000 + b1) = (unsigned volatile int ) (0x1400000 + b0) & 0xFFF ; 　　 b0 = b0 + 4 ; 　　 b1 = b1 + 4 ; } 　　 b0 = 0 ; 　　A - flag = 0 ; } count - } - ; 在中断矢量表中要设置硬件中断 7 的响应函数 , 以便有外部中断时执行相应的中断服务程序 , 设置语 句为 : IN T7 : b start - int 程序中 ICR 为中断设置寄存器 , IER 为中断使 能寄 存 器 , CSR 为 控 制 状 态 寄 存 器 。ADADDR 为 AD 启动/ 关闭控制字 , 其地址值为 0x3380000 。A - flag 标记用于识别读取的数据是 4 K 双口 RAM 的前 或后 2 K 的标记 。count 用于一帧图像中断次数的记 数 (2 K 8 = 16 K) , 双口 RAM 在 DSP 的存储器中对 应的存储器位置为 0x1400000 , 因而转移数据时 , 对 0x1400000 进行操作 。 4 　实验结果 采集到的数据通过 PCI 口与 PC 机实现数据交 换 , 由于 PCI 口实现交换数据快 (可高达 120Mbyte/ s) , 且可方便地读取板卡上内存处的数据实现数据交 换 , 便于系统的实现 。图 7 是用系统进行视频图像采 集 , 通过 PCI 口实现读数和显示获得的 128 ×128 面 阵 , 按 256 级灰度显示所得的图像 。通过系统成像实 验表明 , 该系统可以采集获得很清晰的图像 , 实验结 果较为满意 。 5 　结束语 在系统中采用 FP GA 作为采集控制部分 , 可以 提高系统处理的速度 , 大大提高系统的灵活性和适应 图 7 　采集得到的 128 ×128 面阵 256 级灰度图像图 (1) 系统性能得到大大提高 : 由于在 FP GA 与 DSP 之间采用双口 RAM 作为数据交换区 , FP GA 专 门负责采集控制部分的实现 , 通过中断的方法与 DSP 实现数据和控制指令交换 , 因而大大提高系统的性 能 。如果采用 DSP 进行 AD 采集控制 , 在高频数据 采集控制中将耗去 DSP 的大部分时钟 , 而降低系统 的整体速度 。 (2) 系统的适应性与灵活性强 : 由于采用 FP GA 可编程逻辑器件作为系统采集控制单元 , 对于不同的 视频图像信号 , 只要在 FP GA 内对控制逻辑稍作修 改 , 便可实现信号采集 。同时 , 也可根据系统的需 要 , 控制所采图像的位置和所采图像的大小 , 以适合 不同场合的需要 。 (3) 设计结构简单 , 调试方便 : FP GA 的外围硬 件电路简单 , 因而在硬件设计中 , 可以大大地减小硬 件设计的复杂程度 。而 FP GA 的时序逻辑调试可在 软件上仿真实现 , 因而大大降低硬件调试难度 。 参考文献 : 1 2 沈兰荪. 实时系统构成技术 M . 合肥 : 中国科学技术 TMS320C6000 Technical Brief Z . TI com pany , 1999. 大学出版社 , 1993. 3 刁 鸣. 电 视 接 收 机 原 理 M . 北 京 : 学 苑 出 版 社 , 1999. 4 Xilinx Programmable Logic Data Book Z . 2000. 5 李广军 , 孟宪元. 可编程 ASIC 设计及应用 M . 成都 : 电子科技大学出版社 , 2000. 迁 　址 　通 　知 　　浪潮集团山东超越数控电子有限公司自成立以来 , 即在加固计算机领域潜心探索 。在广大用户及合作伙伴 的支持下 , 公司得以快速发展壮大 。为适应公司及业务 发展需要 , 自 2003 年 6 月 1 日起 , 公司迁入新的办公地 址 , 并开始启用新的电话系统 , 具体联系方式如下 : 地址 : 山东济南山大路 224 号 　　　　邮编 : 250014 电话 : 0531 - 8593888 8593889 8008606009 传真 : 0531 - 8593898 北京办事处 : 010 - 82116836 82116838 新形象 , 新起点 , 我们将一如既往坚持 “创新 、开 拓 、质量 、服务”的宗旨 , 为您提供优质的产品和完善 的服务 。此次迁址如果给您带来不便 , 我们深表歉意 。 对您多年来给予的关心和支持 , 我们表示感谢 , 并期待 您的继续关注 。 浪潮集团山东超越数控电子有限公司