孟令軍，彭晴晴，藺志強(qiáng)

（中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

0 引言

隨著圖像采集器件性能的提高，圖像的采集速率和信息量也在不斷增加[1]，同時(shí)，由于LVDS技術(shù)在圖像數(shù)據(jù)傳輸中的廣泛應(yīng)用，圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和下傳已經(jīng)成為圖像采集系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的部分[2]。以SRAM陣列的存儲(chǔ)方式可以有效地緩解圖像數(shù)據(jù)的傳輸速率，為CPU進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理爭取了大量時(shí)間，并保證了穩(wěn)定下傳。本文以微處理器為核心，用FPGA控制SRAM陣列進(jìn)行存儲(chǔ)和下傳，CPU負(fù)責(zé)陣列存儲(chǔ)區(qū)的管理和可靠穩(wěn)定的記錄數(shù)據(jù)，完成圖像數(shù)據(jù)在陣列中的分布存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)接收圖像采集裝置的高速圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)連續(xù)串行下發(fā)給采編器。本文以CPU處理器為核心，主要控制系統(tǒng)的總體工作流程，同時(shí)以FPGA或CPLD為輔助，完成系統(tǒng)各模塊與處理器之間的通信，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的分區(qū)存儲(chǔ)和連續(xù)下發(fā)?；谇度胧教幚砥鞯膱D像存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件電路采用CPU＋FPGA器件進(jìn)行時(shí)序控制，遙測圖像數(shù)據(jù)首先通過LVDS接口芯片將串行數(shù)據(jù)解串為并行數(shù)據(jù)，存入單幀緩存中（由1片SRAM構(gòu)成）。由于圖像數(shù)據(jù)發(fā)送速率和接收速率之間存在差距，為了保證20幅圖像數(shù)據(jù)的有效接收，主存儲(chǔ)器使用20片SRAM構(gòu)成存儲(chǔ)陣列以實(shí)現(xiàn)20幀圖像數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)。CPU是整個(gè)系統(tǒng)的中心控制器，負(fù)責(zé)控制圖像數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)編碼。FPGA主要負(fù)責(zé)依據(jù)CPU的控制信號接收圖像數(shù)據(jù)存至單幀緩存，轉(zhuǎn)存至存儲(chǔ)陣列和以PCM碼形式轉(zhuǎn)發(fā)至采編器。為了保證轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的無縫傳輸，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)使用FIFO進(jìn)行緩存。本設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括7個(gè)部分：LVDS接口電路、FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、單幀緩存讀寫模塊、CPU控制模塊、主存儲(chǔ)陣列、FIFO緩存模塊以及RS-422接口電路。

2 LVDS接口模塊

LVDS技術(shù)以其低誤碼、低功耗和高傳輸速度等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸中，可以實(shí)現(xiàn)一對多或者一對一傳輸[3]。本文采用點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，使用專門的LVDS串化/解串芯片，相同的串化/解串時(shí)鐘頻率控制，保證數(shù)據(jù)的同步傳輸。LVDS解串器完成LVDS電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)圖像幀、行同步信號與圖像數(shù)據(jù)的分離和輸出，并輸入到FPGA中進(jìn)行處理。圖像數(shù)據(jù)是在幀同步信號VSYN為高電平時(shí)有效，故將幀同步信號VSYN與數(shù)據(jù)使能信號DE_IN連接，在幀同步信號VSYN有效時(shí)，解串芯片輸出DE_OUT，有效輸出16位圖像數(shù)據(jù)及控制信號。并行數(shù)據(jù)輸出時(shí)序如圖2所示。

3 單幀緩存模塊

由于圖像數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)大于主存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)速度，并且在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存的同時(shí)還要對每幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，因此為了實(shí)現(xiàn)接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流之間的速度匹配，需要在主存儲(chǔ)器之前使用緩存，并且要在下一幀數(shù)據(jù)到來之前將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，以保證圖像數(shù)據(jù)的無縫緩存[4]。本文選用1片SRAM構(gòu)成單幀緩存，在幀同步VSYN和行同步HSYN同時(shí)為高時(shí)，SRAM寫地址跟據(jù)PCLK的上升沿遞推，PCLK低電平時(shí)將數(shù)據(jù)寫入SRAM中緩存，時(shí)序如圖3所示。

4 陣列存儲(chǔ)模塊

陣列存儲(chǔ)模塊作為主存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，同時(shí)還要在幀間隔時(shí)間完成單幀緩存到主存儲(chǔ)器的自動(dòng)轉(zhuǎn)存，即在CPU控制下FPGA將圖像數(shù)據(jù)從單幀緩存中讀出寫入到陣列存儲(chǔ)器中。本文數(shù)字圖像信號分辨力為320×240，16位模式；陣列存儲(chǔ)器由20片256×16 kbit高速SRAM構(gòu)成。陣列存儲(chǔ)模塊的原理如圖4所示。其中共用16位數(shù)據(jù)線和18位地址線，采用獨(dú)立片選線。

自動(dòng)轉(zhuǎn)存能否成功進(jìn)行是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。如圖5所示，兩幀間的間隔決定了自動(dòng)緩存時(shí)間。圖像數(shù)據(jù)在VSYN為高時(shí)寫入單幀緩存中，為低時(shí)開始圖像數(shù)據(jù)的自動(dòng)轉(zhuǎn)存。依據(jù)設(shè)計(jì)需要，兩幀間的最小間隔為15 ms，所以用于自動(dòng)轉(zhuǎn)存的時(shí)間必須小于15 ms。

自動(dòng)轉(zhuǎn)存一幀的圖像數(shù)據(jù)量約為（320×240×2）bit=153.6 kbit，由此可得出自動(dòng)轉(zhuǎn)存最小理論頻率為[0.015/（320×240）]-1Hz≈5 MHz。實(shí)際操作時(shí)，要留有一定的后操作時(shí)間，本文確定的轉(zhuǎn)存時(shí)鐘為8 MHz，寫入陣列存儲(chǔ)器一幀圖像的時(shí)間約為（320×240/（8×106））s=9.6 ms。因此，根據(jù)計(jì)算有足夠的時(shí)間將單幀緩存中的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入陣列存儲(chǔ)器中。

5 PCM編碼模塊

PCM碼是無線遙測系統(tǒng)中常用的一種編碼過程，本系統(tǒng)由采編器提供碼同步（YCK）和字同步（YZM）信號，將并行圖像數(shù)據(jù)編碼輸出為串行PCM碼流。在YZM變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，系統(tǒng)在YCK的上升沿輸出一個(gè)圖像數(shù)據(jù)位，每個(gè)圖像數(shù)據(jù)字節(jié)用8個(gè)YCK輸出。在讀主存儲(chǔ)器之前，CPU首先向FIFO寫入幀頭和幀計(jì)數(shù)，然后CPU控制FPGA讀取圖像數(shù)據(jù)寫入FIFO，最后依據(jù)YCK和YZM信號從FIFO中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行PCM編碼，以60 kbyte/s的速率通過RS-422接口下發(fā)給采編器。

6 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

圖6為初始20幀的單幀緩存狀態(tài)，CH1為圖像數(shù)據(jù)的幀同步信號，CH2為寫單幀緩存信號。在陣列存儲(chǔ)器沒寫滿時(shí)，圖像數(shù)據(jù)先存入單幀緩存，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)存到陣列存儲(chǔ)器。編碼測試如圖7所示，F(xiàn)IFO中讀出的圖像數(shù)據(jù)在YZM為高時(shí)進(jìn)行PCM編碼，CH1為編碼數(shù)據(jù)YDT，CH2為字同步Y(jié)ZM，CH3為碼同步Y(jié)CK，圖中下發(fā)的YDT為0x0D和0x0E。

7 小結(jié)

本文利用CPU+FPGA的組合設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了遙測圖像數(shù)據(jù)的無縫緩存，完成圖像數(shù)據(jù)的PCM方式串行下傳。設(shè)計(jì)中采用單幀緩存和陣列存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)處理方式，并對圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)存的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，針對系統(tǒng)的功能進(jìn)行了實(shí)際測試，測試結(jié)果表明陣列存儲(chǔ)可以高速有效地緩存圖像數(shù)據(jù)。

[1]孫榕，劉峰.高清視頻編解碼芯片選型及壓存系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2007，31（11）：26-28.

[2]蔡波.視頻實(shí)時(shí)圖像處理系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2005，29（5）：23-25.

[3]孫春鳳，袁峰，丁振良，等.基于LVDS技術(shù)的高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（3）：46-48.

[4]張國兵.基于LVDS的圖像存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2010.