王繼學(xué)　劉一敏　周華捷

摘要：隨著信息化的快速發(fā)展，數(shù)字高清視頻在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹?lái)越重要，而現(xiàn)今高清視頻采集領(lǐng)域中，主流思想都是基于PC采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是采集卡諸如功耗過(guò)高、體積過(guò)大等問(wèn)題無(wú)法避免。針對(duì)此問(wèn)題，本文在前人研究基礎(chǔ)上基于Quartus II 13.1 （64-bit）平臺(tái)下開(kāi)發(fā)出一款可用于嵌入式可移動(dòng)設(shè)備的HDMI全高清視頻采集模塊。本模塊最大可以支持雙路1920x1080@60Hz的HDMI視頻實(shí)時(shí)采集。

關(guān)鍵詞：HDMI；視頻采集；FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0211-03

High-definition video capture design Based on ADV7612

WANG ji-xue， LIU-yi-min， ZHOU hua-jie

（Institute of Industrial and Equipment Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： With the rapid development of informatization， digital high-definition video is becoming more and more important in people's daily lives. In the field of high-definition video capture today， mainstream ideas are based on PC capture cards， but capture cards such as high power consumption and volume Big problems cannot be avoided. In response to this problem， this article developed a HDMI full HD video acquisition module for embedded mobile devices based on the Quartus II 13.1 （64-bit） platform based on previous research. This module can support dual-channel 1920x1080@60Hz HDMI video real-time acquisition.

Key words： HDMI； video capture； FPGA

HDMI中文全稱(chēng)為高清數(shù)字多媒體接口，它是由飛利浦、東芝等七家公司共同研發(fā)的數(shù)字高清音視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，可以同步傳輸音頻和視頻。2002年正式發(fā)布HDMI1.0標(biāo)準(zhǔn)，2005年發(fā)布HDMI1.2a版本，相比較于上一版本新增了消費(fèi)電子控制（CEC）和音頻格式等功能，同時(shí)在通信接口兼容性方面做了改善。當(dāng)前最新版本為HDMI2.1，傳輸帶寬由2K增加到8K120Hz，同時(shí)也增強(qiáng)了音視頻同步功能，數(shù)據(jù)處理速度直接翻倍提升，色彩空間深度也由12位增加到16位，其支持的32位無(wú)損音質(zhì)可以使設(shè)備獲得家庭影院般的實(shí)際效果。HDMI的這些優(yōu)勢(shì)決定其可以應(yīng)用到機(jī)頂盒、數(shù)字視頻播放器、DVD、Game Box、電腦顯示器等數(shù)碼產(chǎn)品，憑借其即插即用、高分辨率、接口迷你等特點(diǎn)迅速占領(lǐng)當(dāng)前顯示器市場(chǎng)，成了高清顯示設(shè)備的標(biāo)配。近幾年光纖技術(shù)的發(fā)展為HDMI遠(yuǎn)距離傳輸提供了可能。本文基于ADV7612設(shè)計(jì)了一款HDMI視頻采集模塊，該模塊對(duì)于嵌入式高清視頻采集領(lǐng)域具有重要參考價(jià)值。

1 HDMI簡(jiǎn)介

1.1 HDMI接口定義

目前市面上HDMI視頻接口標(biāo)準(zhǔn)一共由TypeA、TypeB、TypeC、TypeD、TypeE五種，其中TypeA是市面上最常見(jiàn)的接口形態(tài)，普通筆記本或者顯卡普遍采用這一接口形式；TypeB是TypeA的物理升級(jí)，比TypeA有更高的傳輸性能；TypeC俗稱(chēng)miniHDMI接口，其物理尺寸相比與TypeA縮小一半，主要在手機(jī)或者攝像機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上，本系統(tǒng)采用較為常見(jiàn)的A型19針連接器，其引腳定義如表1所示。

由于需要高速傳輸數(shù)據(jù)，HDMI接口1-12號(hào)管腳是數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線(xiàn)都是TMDS差分信號(hào)，差分信號(hào)可以有效減小信號(hào)的衰減提高信號(hào)質(zhì)量，15、16兩根IIC信號(hào)線(xiàn)用于配置HDMI視頻信號(hào)源，17號(hào)引腳通常用來(lái)功能性擴(kuò)展，在實(shí)際使用中，可以不使用，18號(hào)引腳是+5V電源，用于給HDMI設(shè)備提供低于55mA電流供電，19號(hào)管腳用于檢測(cè)是否有HDMI視頻源插入，有了這個(gè)管腳信號(hào)使得HDMI設(shè)備可以支持熱插拔。

1.2 HDCP視頻加密認(rèn)證

由于版權(quán)原因，為了保護(hù)數(shù)字視頻不被非法錄制，每個(gè)HDMI芯片都加入了HDCP數(shù)字保護(hù)機(jī)制，它能保證傳輸?shù)腍DMI視頻流是加密傳輸?shù)?。HDMI發(fā)送器通過(guò)IIC接口通信協(xié)議的DDC通道配置芯片接收寄存器的解密信息，每一個(gè)芯片出廠(chǎng)時(shí)都會(huì)在內(nèi)部集成一個(gè)HDCP密鑰，同時(shí)也集成了該密鑰的選擇向量，視頻數(shù)據(jù)發(fā)送的每一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，HDCP都會(huì)計(jì)算出一個(gè)解密值用于加密生成的視頻信息，這么做有效保障了HDMI視頻數(shù)據(jù)的安全性。

2 硬件構(gòu)成

2.1 ADV7612簡(jiǎn)介

ADV7612是ADI公司（Analog Devices，Inc）的作為HDMI視頻接收芯片，它是一款雙端口、高質(zhì)量HDMI接收芯片，支持最新的HDMI1.4 a標(biāo)準(zhǔn)，雙通道輸入，最大輸入像素時(shí)鐘高達(dá)225 MHz。與同類(lèi)產(chǎn)品相比，ADV7612具有更小的物理尺寸，更低的功耗，并且由于采用了先進(jìn)的Xpressview技術(shù)，使其可以進(jìn)行快速HDMI端口切換。除此之外，它還可以支持加密視頻流以及CEC、CDC等。ADV7612視頻采集功能框圖如圖1所示。

ADV7612將HDMI接口進(jìn)來(lái)的音頻和視頻數(shù)據(jù)送入TMDS數(shù)字核中，經(jīng)過(guò)解碼處理后轉(zhuǎn)換為YcbCr或者RGB信號(hào)輸出給圖像接收端控制器。值得注意的是雖然ADV7612有兩個(gè)HDMI接收口，但在同一個(gè)時(shí)刻只能有一個(gè)口處于激活狀態(tài)，當(dāng)端口1和端口2同時(shí)有視頻輸入時(shí)，可以通過(guò)軟件配置更改寄存器值來(lái)選擇需要的端口。ADV7612支持低功耗模式，在芯片工作時(shí)可以自動(dòng)檢測(cè)輸入進(jìn)來(lái)的HDMI數(shù)據(jù)流，當(dāng)檢測(cè)到視頻像素時(shí)鐘停止時(shí)，芯片自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，直至下一次激活。ADV7612 支持1920x1080@60Hz分辨率的全高清TMDS數(shù)據(jù)流解碼，它是一種最小化差分信號(hào)傳輸機(jī)制，其將二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”用兩腳之間的電壓正負(fù)極性來(lái)表示，這種方式使信號(hào)過(guò)渡過(guò)程的上沖和下沖減小，信號(hào)傳輸對(duì)于傳輸線(xiàn)的干擾大幅減少，極大地提高了信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)效性和可靠性。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

ADV7612一共需要三個(gè)電源，分別為3.3V和1.8V，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)3.3V是數(shù)字I/O供電電源，決定了視頻輸出的行場(chǎng)信號(hào)與36位RGB信號(hào)的輸出信號(hào)電平為3.3VTTL電平標(biāo)準(zhǔn)；1.8V為ADV7612數(shù)字內(nèi)核供電電壓。二者均采用TI公司的TPS754xx，它是一種低壓差穩(wěn)壓器，集成上電復(fù)位和電源輸出正常檢測(cè)管腳（PG），能提供最大2A的輸出電流和210mv的壓差，當(dāng)器件滿(mǎn)載輸出時(shí)靜態(tài)電流為75uA ，當(dāng)被禁用時(shí)此數(shù)值下降到1uA。ADV7612電源原理圖如圖2所示。

2.3 HDMI接口電路設(shè)計(jì)

ADV7612 支持雙端口HDMI輸入，但是同一時(shí)刻只能選擇一個(gè)端口的視頻流送入內(nèi)核解碼，解碼出的時(shí)序邏輯像素?cái)?shù)據(jù)送入FPGA接收處理。HDMI輸入信號(hào)采用TMDS數(shù)據(jù)通道，并且其TypeA接口的1-12號(hào)引腳均通過(guò)ESD保護(hù)芯片進(jìn)行保護(hù)，最大可以抗靜電±8KV，此外添加ESD保護(hù)器還可以有效的芯片過(guò)流保護(hù)。

ADV7612可以支持四種頻率晶振輸入分別為27.0MHz，28.63.0MHz（default），24.576MHz，24.0MHz，通過(guò)配置0x04寄存器的XTAL_FREQ_SEL[1：0]位來(lái)選擇一種晶振，如果用戶(hù)使用了28.63Mhz的晶振，則是和寄存器默認(rèn)相匹配的，此情況下，無(wú)須更改與晶振相關(guān)寄存器配置即可，其他情況下需要調(diào)整寄存器值后芯片才能正常啟動(dòng)。除了視頻外，ADV7612還可以解碼出音頻數(shù)據(jù)，并通過(guò)自身的IIS接口將音頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步的送給聲音接收設(shè)備，做到音視頻同步播放。ADV7612硬件連接如圖3所示。

3 驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

作為視頻接收芯片，ADV7612啟動(dòng)前需要相關(guān)設(shè)置，由于本系統(tǒng)采用FPGA作為從處理器，故相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)均是基于Quartus II 13.1 （64-bit）下的Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)的。ADV7612上電復(fù)位后，其IIC的器件地址默認(rèn)為0x98，此時(shí)控制器FPGA需要對(duì)寄存器0x01、0x02、0x03、0x05、0x06、0x19等寄存器寫(xiě)入初始值，其中0x01寄存器為視頻格式接收選擇，以及視頻刷新頻率選擇，用戶(hù)輸入什么格式的HDMI視頻，這里就必須配套設(shè)置什么值，否則造成格式不匹配；0x02寄存器用于設(shè)置自動(dòng)CS片選信號(hào)；0x03寄存器選擇視頻顏色深度，最大可以設(shè)置36位；0x06寄存器設(shè)置行場(chǎng)信號(hào)反轉(zhuǎn)，用于匹配不同的圖像顯示設(shè)備，0x19寄存器用于啟動(dòng)LLC像素時(shí)鐘輸出，最大可到225MHz，ADV7612軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論

嵌入式全高清視頻采集系統(tǒng)是一個(gè)極具實(shí)用價(jià)值的研究方向，包含許多前沿科技的相關(guān)技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的基于ADV7612芯片的嵌入式視頻采集模塊，采用HDMI1.4a標(biāo)準(zhǔn)，支持音視頻同步分離接收，可以很好地應(yīng)用于嵌入式醫(yī)療圖像采集、安防監(jiān)控領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)逐步地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，本方案在未來(lái)的市場(chǎng)環(huán)境中將實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用價(jià)值。

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