基于FPGA的图像采集系统设计与实现

　　1、引言

　　视频图像采集是视频信号处理系统的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。图像采集系统在当今工业、军事、医学各个领域都有着极其广泛的应用，如使用在远程监控、安防、远程抄表、可视电话、工业控制、图像模式识别、医疗器械等各个领域都有着广泛的应用[1]。本文介绍了一种基于FPGA的图像采集系统，用户可以根据需要对FPGA 内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现系统的重构[1][2];而且采用这种设计方案 ,便于及时地发现设计中的错误,能够有效地缩短研发时间，提高工作效率。

　　2、系统的总体框架和工作原理

　　整个系统主要分为四个模块：视频解码模块、视频编码模块、存储器模块和FPGA核心控制模块，系统总体框架如图1所示。

　　其中FPGA实现的主要功能有：视频编解码器件的初始化，视频图像的采集存储以及将采集的图像数据通过视频编码芯片送到监视器上显示。

　　系统的工作原理为：系统上电后，FPGA通过FLASH中的程序对完成视频解码和编码芯片的初始化配置;在接到视频AD转换的中断信号后，FPGA将转换的数字图像数据传送到SRAM保存;一帧图像转换结束后FPGA再将SRAM中的数字图像传递给视频编码芯片以便在监视器上显示，同时开始控制下一帧图像的采集。

　　3、硬件电路设计

　　3.1 AD和DA转换模块

　　本系统采用的视频编解码芯片是ADV7181和ADV7177，下面分别介绍AD和DA转换器件的硬件电路设计。

　　3.1.1 AD转换模块

　　ADV7181系统是AD公司推出的一款视频解码芯片[3]，它具有如下特点： I2C总线接口，6通道模拟视频输入，支持NTSC、PAL、SECAM视频制式，支持多种模拟输入格式和多种数字输出格式。

　　本系统中选用其中的通道1作为PAL制CVBS视频输入，数据输出可根据需要采用8位或16位的格式输出。ADV7181与FPGA的接口电路如图2所示。

　　系统上电后通过FPGA的I2C模块完成对ADV7181的初始化配置，其中ADC_SCLK、ADC_SDATA分别为I2C总线的时钟线和数据线。ADV7181正常工作后分别输出水平同步信号ADV_HS、垂直同步信号ADV_VS、 场同步信号ADV_FIELD、中断信号ADC_/INTRQ、ADC_LLC同步信号和图像数据信号ADC_DATA(8位或16位可配置输出)，另外ADC_/PWRDN信号控制ADV7181是否工作于省电模式。用户可以根据需要选择水平、垂直和场同步信号(CCIR-601格式)或ADC¬_LLC信号(CCIR-656格式)来实现系统与视频输入的同步，并利用这些同步信号控制对转换完成的视频数据的写存储器操作。

　　3.1.2 DA转换模块

　　DA转换采用的是AD公司的ADV7177[4]，它具有如下特点：I2C接口，3路模拟视频输出，支持多种数字输入格式和多种模拟输出格式，用户可根据需要选择使用。它的电路设计与ADV7181类似，ADV7177与FPGA的接口电路如图3所示。