梁義濤，唐 垚，史衛(wèi)亞，王 鋒，李永剛

(1.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所，陜西 西安 710119)

隨著視頻技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)高清數(shù)字視頻性能要求日益提升?；诖?，2000年10月，NI、DALAS等多家公司基于Channel Link技術(shù)推出了旨在簡(jiǎn)化CCD和采集卡之間連接的Camera Link接口協(xié)議[1]。近年來，作為一種高速、高精度數(shù)字?jǐn)z像頭的簡(jiǎn)潔、方便、靈活的串口數(shù)據(jù)和連接方式，Camera Link接口協(xié)議在航空航天、軍事、醫(yī)療、工礦企業(yè)等的視頻監(jiān)控、視頻傳輸、在線非接觸式測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。

高清晰度多媒體接口HDMI(High-Definition Multimedia Interface)協(xié)議是2002年底由日立、飛利浦和Silicon-Image等公司聯(lián)合推出的一種專用數(shù)字音視頻傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在液晶顯示器、液晶電視、高清相機(jī)及錄像機(jī)等消費(fèi)類電子領(lǐng)域已經(jīng)成為主要的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)之一[3]。該接口可傳輸高達(dá)5 Gb/s的數(shù)據(jù)帶寬，是首個(gè)支持單線非壓縮混合信號(hào)傳輸?shù)慕涌趨f(xié)議，可直接同時(shí)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字高清影音信號(hào)及控制命令數(shù)據(jù)的高性能數(shù)字接口。HDMI技術(shù)不僅能提供清晰的畫質(zhì),而且由于其音頻、視頻采用同一電纜,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝[4]。

在某視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，前端相機(jī)視頻分辨率、視頻幀率和像素時(shí)鐘頻率分別為1 920×1 080 p@25 f/s及80 MHz。相機(jī)視頻輸出為CameraLink接口的1-tap RGB 8 bit格式。為擴(kuò)展相機(jī)的應(yīng)用及調(diào)試方便，要求視頻數(shù)據(jù)能夠轉(zhuǎn)換為HDMI接口輸出。目前，在所檢索到的文獻(xiàn)范圍內(nèi)，未見相關(guān)報(bào)道。本項(xiàng)目組基于實(shí)際需求，在不改變?cè)邢鄼C(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了結(jié)合FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)的CameraLink-HDMI轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，完成了電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)項(xiàng)目要求，本轉(zhuǎn)換器的主要功能是接收高清彩色相機(jī)一路BASE配置的Camera Link的視頻數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為1-tap RGB 8 bit格式。在接收到視頻數(shù)據(jù)后，由視頻接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)視頻格式的轉(zhuǎn)換處理，最后通過HDMI接口以標(biāo)準(zhǔn)的BT.1120格式輸出高清1 080 p@25 f/s的視頻信號(hào)?；诩s化、低功耗和可靠設(shè)計(jì)的原則，要求系統(tǒng)一次電源+12 V，并裝備備用的異步RS-422通信控制接口，以便緊急情況下PC機(jī)對(duì)相機(jī)的控制。

基于以上設(shè)計(jì)要求，提出了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。轉(zhuǎn)換器主要由核心處理器、電源轉(zhuǎn)換模塊、Camera Link輸入接口模塊、HDMI輸出接口模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊和異步RS-422收發(fā)串口轉(zhuǎn)換模塊等6個(gè)部分組成。

為滿足高集成度、低功耗和高速的設(shè)計(jì)要求，采用FPGA作為核心處理器，產(chǎn)生Camera Link接口模塊和HDMI接口模塊的控制時(shí)序，對(duì)它們進(jìn)行初始化配置。Camera Link輸入接口模塊工作時(shí)，將視頻數(shù)據(jù)傳送給FPGA。由FPGA進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的緩存、格式的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的重新組幀和發(fā)送。根據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)要求，需要提供外部緩存以保存及處理視頻數(shù)據(jù)，所以轉(zhuǎn)換器采用外部SDRAM存儲(chǔ)器作為片外大容量緩存模塊。轉(zhuǎn)換器保留Camera Link接口兩對(duì)差分信號(hào)SerTc和SerTfg的接口，可以通過FPGA與RS-422轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的LVDS到RS-422的協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)通過RS-422接口對(duì)Cameralink相機(jī)的控制。

2 模塊設(shè)計(jì)及器件選擇

2.1 Camera Link輸入接口模塊

Camera Link輸入接口模塊選用NI公司的DS90CR-288A接收器芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。DS90CR288A具有高速TTL接口，低功耗，無需外部PLL器件，滿足TIA/EIA-644 LVDS標(biāo)準(zhǔn)，采用56腳TSSOP封裝，工作溫度范圍為-10℃～+70℃[5]。它的作用是將相機(jī)輸出的4路LVDS數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為28 bit的LVCOMS/LVTTL數(shù)據(jù)，在傳輸時(shí)鐘為85 MHz時(shí)28 bit TTL數(shù)據(jù)的速率可以達(dá)到每個(gè)LVDS通道595 Mb/s，即4路LVDS通道2.38 G/s的速度。

2.2 HDMI接口設(shè)計(jì)

HDMI發(fā)送接口采用ADI公司的高性能HDMI/DVI傳輸芯片AD9889B。該芯片兼容HDMI v.1.3版本，單1.8 V供電，視頻/音頻輸入兼容1.8 V～3.3 V，可以工作在165 MHz，支持60幀480 i到1 080 p以及UXGA分辨率，能夠滿足技術(shù)要求[6]。該器件具有兩路可編程色度空間轉(zhuǎn)換器，支持RGB、YCbCr和DDR輸入方式，且支持ITU656嵌入同步方式。

2.3 外部緩存設(shè)計(jì)

Cyclone IV支持的外部緩存包括SDRAM、DDRII等。方案中選用了Micron公司的SDRAM芯片MT48LC8M16-A2B。該芯片有128 Mbit容量、16 bit寬數(shù)據(jù)總線、4個(gè)bank，每個(gè)bank的容量為2 Mbit[7]。設(shè)計(jì)采用了兩組SDRAM構(gòu)成乒乓結(jié)構(gòu)的外部緩存。每組由兩片16×8 Mbit的SDRAM組成，實(shí)現(xiàn)高速大容量的圖像緩存，使外部緩存數(shù)據(jù)總線的讀寫速率達(dá)到133 MHz，總?cè)萘窟_(dá)到512 Mbit。

2.4 FPGA處理器設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)高清圖像的處理需要一款高性能的控制器與處理器，與接口芯片的無縫連接也是需要重點(diǎn)考慮的因素。因此，轉(zhuǎn)換器的核心處理單元采用Altera公司的高性能FPGA器件Cyclone IV系列的EP4CE40F23I7芯片[8]。該芯片是Cyclone IV系列增強(qiáng)型FPGA器件，具有約40K個(gè)邏輯單元（LE），4組I/O Bank，核心工作電壓1.2 V，1 134 Kbit嵌入式存儲(chǔ)器，116個(gè)嵌入式18×18乘法器，最高時(shí)鐘頻率437.5 MHz。其工作流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

FPGA將CameraLink接收模塊輸出的28 bit TTL電平的數(shù)據(jù)信號(hào)和一路同步時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)分拆、解碼并組合為R、G、B三路色度信號(hào)；接收到的RGB數(shù)據(jù)經(jīng)過行緩存后，再對(duì)其進(jìn)行色度空間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr色度空間；之后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，將4：4：4采樣形式轉(zhuǎn)換為4：2：2采樣形式并利用外部SDRAM實(shí)現(xiàn)圖像幀數(shù)據(jù)的緩存；最后，對(duì)幀數(shù)據(jù)重新組幀后發(fā)送給HDMI接口芯片。

FPGA還完成了RS422接口通信功能、AD9889B HMDI發(fā)送接口芯片的I2C配置功能及一系列圖像處理功能。設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方式，開發(fā)平臺(tái)為QuartusII 11.0。

整個(gè)FPGA的設(shè)計(jì)工程包括3個(gè)PLL、4個(gè)FIFO（2個(gè)輸入端FIFO和2個(gè)輸出端FIFO）和7個(gè)子模塊(camera_rec，ppi，2個(gè)sdram，ppo，i2c_config，avalon_i2c)。其中，3個(gè)PLL為PLL2、PLL1和PLL0。PLL2和PLL1都是將外部60 MHz鐘振發(fā)出的時(shí)鐘變?yōu)镕PGA需要的頻率。PLL0主要接收來自相機(jī)Camera Link發(fā)送接口輸出的80 MHz像素時(shí)鐘。

avalon_i2c子模塊是HDMI發(fā)送接口芯片AD9889B的I2C接口控制模塊。camera_rec子模塊接收Camera Link接收芯片輸出的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，輸出R、G、B像素?cái)?shù)據(jù)，并產(chǎn)生相應(yīng)的行、幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)有效信號(hào)發(fā)送至ppi子模塊。ppi子模塊產(chǎn)生控制輸入端FIFO的寫使能信號(hào)，同時(shí)以乒乓輸入的方式、80 MHz的速率將奇數(shù)和偶數(shù)幀數(shù)據(jù)交替地送入兩組輸入端FIFO中。數(shù)據(jù)被寫入后，sdram子模塊被啟動(dòng)。該模塊是外部SDRAM芯片的接口控制模塊。sdram子模塊產(chǎn)生讀使能信號(hào)rdreq控制從FIFO中讀取數(shù)據(jù)并寫入外部SDRAM。兩組sdram子模塊以乒乓操作的形式實(shí)現(xiàn)連續(xù)寫入和輸出功能。

而ppo子模塊通過邏輯控制產(chǎn)生rdreq1和rdreq2兩個(gè)信號(hào)，從兩個(gè)輸出端FIFO中有數(shù)據(jù)的一個(gè)讀取數(shù)據(jù)，按照AD9889B芯片所需的接口時(shí)序輸出RGB數(shù)據(jù)和同步信號(hào)，完成視頻輸出。

3 仿真與測(cè)試

FPGA最終設(shè)計(jì)的資源利用情況如表1所示。由于FPGA還完成了一部分圖像處理功能，所以用到了嵌入式乘法器，系統(tǒng)的最高時(shí)鐘頻率可以達(dá)到119.96 MHz，完全能夠滿足80 MHz實(shí)際使用頻率的要求。

表1 FPGA綜合結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)由HDMI接口顯示器、Camera Link相機(jī)和轉(zhuǎn)接器構(gòu)成。由于尺寸要求，最終轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)由FPGA核心電路板、Camera Link接口電路板和HDMI接口電路板三個(gè)電路板通過直插插針連接組成，各電路板尺寸均為5 cm×5 cm。測(cè)試結(jié)果表明，圖像實(shí)時(shí)性達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且顏色和圖形基本無失真。

利用單片F(xiàn)PGA結(jié)合外部緩存完成了Camera Link接口和HDMI接口不同視頻格式之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了Camera Link相機(jī)的HDMI接口擴(kuò)展功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示該方案設(shè)計(jì)合理、可行。

本設(shè)計(jì)采用了自頂向下的設(shè)計(jì)理念和IP核技術(shù)，縮短了設(shè)計(jì)周期，通過乒乓存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，提高了系統(tǒng)性能和資源利用率?；贔PGA的靈活設(shè)計(jì)使系統(tǒng)還可以完成一系列擴(kuò)展功能，為工程應(yīng)用提供了一種較好的Camera Link-HDMI接口轉(zhuǎn)換解決方案。

[1]Camera Link specification-V1.1[EB/OL].（2004-01)[2011-03-17].http://www.machinevisiononline.org.

[2]李志勇，袁魏華，楊鎮(zhèn)華.基于TMS320C6711的Camera Link相機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2007，30(3)：972-975.

[3]徐洪濤.HDMI高速數(shù)據(jù)傳輸研究與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[4]HDMI Founders.High-definition multimedia interface specification version 1.4[S].CA，USA：[s.n.]，2009.

[5]National Semiconductor Corporation.DS90CR287/DS90CR288A datasheet[Z].National Semiconductor Corporation，2004.

[6]Analog Devices，Inc..High performance HDMI/DVI transmitter AD9889B datasheet[Z].Analog Devices，Inc.，2007.

[7]Micron Technology，Inc..MT48LC8M16A2-SYNCHRONOUS DRAM datasheet[Z].Micron Technology，Inc.，2001.

[8]Altera Corporation.Cyclone IV device handbook[Z].Altera Corporation，2012.