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以FPGA机载为核心的实时视频图形处理系统设计

2018年08月18日 09:53 次阅读

随着科技的高速发展,飞机对机载电子系统提出了越来越高的要求,飞机性能的改善在很大程度上依赖于机载电子系统性能的提升。在飞行器机载电子系统中,显示系统是飞机与飞行员进行人机交互的桥梁,它将各种飞行参数转换为视觉信息,显示在显示器上。飞行员可以实时读取这些信息,从而做出判断。

文中设计了某机载视频图形处理系统的硬件电路部分,视频图形处理系统是机载显示系统的子系统,用于在机载显示器上显示高像素的图形与外部输入视频叠加形成的视频信号。系统以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA为核心处理器,搭配多种外围视频处理芯片,实现了对高清视频的缩放、格式转换和叠加高像素图形符号等多种处理功能,并且具有较高的实时性。

1 系统概况

1.1 系统需求

机载视频图形处理系统的主要功能是接收多种格式的外部视频信号,生成点阵式字符信号,进行视频格式的转换,并可输出生成字符与外视频叠加的视频信号。

系统接收PAL(Phase Alternating Line,逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface,数字视频接口)制式的视频信号和。PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express,扩展外设部件互连标准)视频信号,对视频进行缩放、格式转换等处理后,叠加上高像素的图形,并按要求输出合成的视频信号。

1.2 总体方案设计

结合系统需求,确定系统的总体设计方案为:以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA为核心处理器,利用其强大逻辑资源和丰富的IP核,配以相应的外部电路,构建出一个灵活、简洁、可靠的机载视频图形处理系统的嵌入式硬件模块。利用XC5VFX707T中内嵌的Power PC 440硬核处理器,在该处理器上移植美国风河公司的Vxworks操作系统,通过操作系统管理网络和PCI-E等接口,并在操作系统的基础上,实现相应的图形操作及视频处理API(ApplicaTIon Programming Interface,应用程序编程接口)函数,用户的应用程序通过调用API函数来构建最终的视频输出。

2 系统硬件模块设计

2.1 硬件整体架构

根据设计要求,选择XC5VFX70T FPGA作为核心处理器,该处理器采用65 nm工艺制造,是专为嵌入式应用而开发的。处理器内置主频550 MHz的PowerPC440内核、PCI-E端点和以太网等模块。系统硬件部分还包括视频编解码芯片,DDR2视频缓存,PowerPC外存等外围电路,整个系统的硬件框图如图1所示。

以FPGA机载为核心的实时视频图形处理系统设计

图1 系统硬件框图

2.2 视频流图

系统主要用于接收、处理并发送各种视频信号,系统中视频的流图如图2所示。由图中可知,系统能接收1路DVI视频,4路PAL视频和1路PCI-E视频,视频经过专门的解码器后,由FPGA对它们进行处理,然后通过相应的视频编码器输出视频信号。

以FPGA机载为核心的实时视频图形处理系统设计

图2 系统视频流向图

2.3 DVI视频编解码模块设计

系统的DVI视频解码采用TI公司的DVI解码芯片TFP401实现,该芯片满足DVI1.0规范,最高支持1 600×1 200分辨率,支持24位真彩色视频。另外考虑到机载视频信号源与DVI接收器之间距离较远,长线传输时信号的高频分量比低频分量衰减得更多,因此在DVI输入信号解码前加入均衡器以实现频谱的均衡化,减小信号失真。系统采用美国国家半导体公司的DS16EV5110实现DVI视频信号的频谱均衡化,该芯片可以对DVI视频信号的每一数据通道设定不同的均衡增益,具有高度的灵活性,可以有效减小信号的码间串扰。

系统的DVI视频输出功能采用TI公司的DVI编码芯片TFP410实现,该芯片满足DVI1.0规范,最高支持1 600×1 200分辨率,支持24位真彩色视频。

2.4 PAL视频编解码模块设计

为便于PAL视频信号的长线传输,系统采用差分信号传输PAL视频。由于标准的PAL信号为单端信号,因此系统在PAL信号接收端采用美国AD公司的差分接收放大器AD8130来实现差分PAL信号转换成标准单端PAL信号,而在PAL信号发送端则采用AD公司的高速差分驱动器AD8131实现单端PAL信号转换成差分信号。

系统采用AD公司的PAL解码芯片ADV7184对单端PAL视频信号进行解码,该芯片具有12个模拟输入通道,内置4个10位ADC,实际解码后视频信号支持ITU-R BT.656标准(YCrCb 4:2:2),经色彩空间转换后R、G、B分量均可达到8位分辨率,即PAL视频解码后可达24位真彩色。

系统采用AD公司的PAL编码芯片ADV7179来实现PAL视频信号的输出,该芯片支持ITU-RBT.656标准的标准数字视频输入,与PAL解码芯片ADV7184实现了很好的兼容,使得系统对PAL信号进行处理较为方便。ADV7179内置3个10位DAC,编码后输出视频支持24位真彩色。

2.5 DDR2视频缓存模块设计

由于系统中需要对输入的视频进行叠加字符及帧速率转换等处理,因此需要对输入的视频数据进行缓存。选择美国Mierosemi公司的DD R2 SDRAM芯片W3H32M72E-400作为视频缓存,该芯片存储容量为256 MByte,传输速率为50 MByte·s-1.

系统中需要处理的视频最高分辨率为1 600×1 200,因此一帧视频数据包含1 920 000个数据点,即大约2×106个数据点,而每个数据点占2 Byte存储空间,即一帧视频约占4 MByte存储空间。一片视频缓存芯片最少可存储64帧视频数据,满足一般的帧速率转换算法的存储空间需求。系统所选DDR2芯片的传输速率为50 MByte·s-1,因此视频最高传输速率为50×64/4=800帧·s-1.而系统中视频的最高刷新率为60 Hz,视频的最高传输速率已远大于输出视频的最高显示帧速率,符合系统的实时性要求。

3 测试结果及分析

在系统运行试验中,XC5VFX70T选取时钟频率200 MHz,屏幕分辨率为1 600×1 200,系统分别对图形生成和视频处理等功能进行了测试,并进行了系统联调。

在图形生成测试中,测试结果图如图3所示,图中分别显示了反走样直线、圆弧、圆和天地球,天地球上显示了一个直立字符和一个旋转字符,生成该幅画面共耗时984.6 μs,其中读写DDR2耗时862.7μs.当屏幕刷新率为60 Hz时,一幅画面允许的生成时间为16.7 ms,图形生成满足系统的实时性要求。

以FPGA机载为核心的实时视频图形处理系统设计

图3 图形生成测试结果图

在视频解码、处理、编码测试过程中,一帧视频的处理时间最长不超过3 ms,肉眼观察各种格式的视频输出时无明显时延,符合系统的实时性要求。在系统联调中,系统能输出叠加各种高像素符号图形的高清视频,输出分辨率可达1 600×1 200,输出视频场频可达60帧·s-1,输出视频质量高而流畅,无明显的干扰和延迟。

4 结束语

文中给出了基于FPGA的某机载实时视频图形处理系统的硬件电路总体设计方案,并详细论证了系统中DVI视频编解码模块,PAL视频编解码模块以及DDR2视频缓存模块的硬件实现方法。系统选用了多种新型芯片,构建了一个灵活、简洁、可靠的硬件平台,实现了对DVI、PAL等多种制式的视频的解码,实时处理和编码输出,并且具有较强的扩展性。系统测试结果表明,系统支持1 600×1 200分辨率,60帧·s-1刷新率,24位真彩色高清视频的流畅处理,对1帧视频的处理时间最长不超过3 ms,能够有效提高机载视频图形的处理速度,具有良好的应用价值。

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发表于 2018-08-12 10:56 273次阅读
智能创可贴:内置处理器,可以追踪伤口的愈合情况检...

以FPGA为核心的多轴控制器设计

专用控制器在完成整个控制的过程中,arm只负责指令解析、控制指令发送、实时数据上传等任务,fpga才...

发表于 2018-08-12 09:47 297次阅读
以FPGA为核心的多轴控制器设计

如何使用云科技在线设计PCB?详细经验教程

OrCAD® Capture Cloud工具作为桌面版本的一部分被引入市场,并拥有如下优势: 无需...

发表于 2018-08-12 09:44 304次阅读
如何使用云科技在线设计PCB?详细经验教程

以FPGA系统为核心的1553B总线接口设计

在总线接口模块中,曼彻斯特编解码是实现功能的核心部分,所以编码数据和解码数据是进行功能验证时观察的重...

发表于 2018-08-12 09:44 75次阅读
以FPGA系统为核心的1553B总线接口设计

如何设计一个基于FPGA的嵌入式监控系统?

为了实现自动图像报警和图像采集,本文设计了动体检测算法,这是因为绝大多数情况下我们只对监控区域中运动...

发表于 2018-08-12 09:39 94次阅读
如何设计一个基于FPGA的嵌入式监控系统?

以FPGA为核心的高阶快速数字滤波器设计

本文详细讲述了通过Matlab工具设计FIR线性相位滤波器的方法, 并针对声波信号设计了优于传统结构...

发表于 2018-08-12 09:33 68次阅读
以FPGA为核心的高阶快速数字滤波器设计

如何利用FPGA研究CPU工作原理实现其功能?

初始时的PC 为0000H, SP为03FFH。SP的更改可通过指令sph l来执行。针对实验箱, ...

发表于 2018-08-12 09:29 78次阅读
如何利用FPGA研究CPU工作原理实现其功能?

以嵌入式处理器为核心的IP复用技术应用

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,有硬核和软核之分。其中,嵌入式处理器软核以其更大的使用灵活性,更低廉...

发表于 2018-08-12 09:23 284次阅读
以嵌入式处理器为核心的IP复用技术应用

如何设计一个16位的嵌入式微控制器?

使用的FPGA器件是StratixⅡ型号为EP1S40F780C7。综合结果显示:A8096使用3 ...

发表于 2018-08-12 09:11 98次阅读
如何设计一个16位的嵌入式微控制器?

关于FPGA的优势以及产业化的限制因素详解

可编程的“万能芯片” FPGA——现场可编程门阵列,是指一切通过软件手段更改、配置器件内部连接结构...

发表于 2018-08-11 11:47 64次阅读
关于FPGA的优势以及产业化的限制因素详解

各种存储器接口控制器设计所面临的挑战和Xilin...

FPGA 设计人员在满足关键时序余量的同时力争实现更高性能,在这种情况下,存储器接口的设计是一个一...

发表于 2018-08-11 11:04 1437次阅读
各种存储器接口控制器设计所面临的挑战和Xilin...

FPGA究竟是什么?能代替CPU架构吗?

FPGA全称现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array),最初作为...

发表于 2018-08-10 17:23 422次阅读
FPGA究竟是什么?能代替CPU架构吗?

7月份最新的CPU天梯图,看看自己的电脑CPU还...

根据VCZ提供的消息,AMD二代“线程撕裂者”处理器共有四款,分别是2990WX、2970WX、29...

发表于 2018-08-10 17:06 1373次阅读
7月份最新的CPU天梯图,看看自己的电脑CPU还...

新款iPhone即将发布,为何依然坚持采用刘海屏...

当然,和iPhone X相比,这三款新iPhone的边框下巴宽度会有更好的表现。另外,根据近日曝光的...

发表于 2018-08-10 14:59 520次阅读
新款iPhone即将发布,为何依然坚持采用刘海屏...

如何实现用Python开发FPGA?

近日,想必各位科技爱好者的朋友圈都被一篇发表在第25届IEEE国际讨论会上,用Python开发FPG...

发表于 2018-08-10 14:57 259次阅读
如何实现用Python开发FPGA?

处理器是如何进行封装的?

随着我国制造技术的发展,在处理器生产过程中,芯片封装和封装后两个阶段在我国也能够实现。近日笔者有幸参...

发表于 2018-08-10 14:49 92次阅读
处理器是如何进行封装的?

简谈FPGA verilog中的function...

大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊FPGA verilog中的function用法与例...

发表于 2018-08-10 13:42 663次阅读
简谈FPGA verilog中的function...

Virtex UltraScale+ FPGA:...

赛灵思在UltraScale+产品系列及设计工具上一直与100多家客户积极接触,目前已向其中60多...

发表于 2018-08-10 11:35 52次阅读
Virtex UltraScale+ FPGA:...

在FPGA模块层如何提供容错设计

赛灵思根据实际情况提供了基于器件的打包式解决方案,从而帮助用户克服功能安全系统设计的复杂性挑战,而且...

发表于 2018-08-10 09:55 777次阅读
在FPGA模块层如何提供容错设计

区块链如何重新塑造隐私世界?

随着区块链技术管理数据的崛起,“去中心化”成为现今许多厂商试图改变社交网站或具有隐私文件的核心任务。

发表于 2018-08-10 09:49 2198次阅读
区块链如何重新塑造隐私世界?

英特尔升级芯片是真是假 它的目的是什么

intel的IDM模式中有很大一部分是芯片制造,而且Intel的芯片制造工艺是全球领先的,一座芯片工...

发表于 2018-08-09 15:35 662次阅读
英特尔升级芯片是真是假 它的目的是什么

FPGA学习系列:26. 矩阵键盘的设计

设计背景: 矩阵键盘在工程设计越来越多的被用到,已然成为了我们做开发接触到的不可缺少的小型项目,利于...

发表于 2018-08-09 10:47 852次阅读
FPGA学习系列:26. 矩阵键盘的设计

Mouser供货Terasic开发套件,专为Al...

贸泽电子(Mouser Electronics) 即日起开始分销Terasic Technolog...

发表于 2018-08-09 08:42 48次阅读
Mouser供货Terasic开发套件,专为Al...

曝光新一代iPhone的售价,这个售价让我们十分...

除此之外,最顶配的6.5英寸版本的iPhone XS Plus售价为999美元,而相应的5.8英寸的...

发表于 2018-08-08 17:14 1659次阅读
曝光新一代iPhone的售价,这个售价让我们十分...

将于8月9日在纽约发布的三星Note 9有哪些新...

从旗舰机到千元机,刘海屏几乎已经成为手机的标配技术。然而,无论其它手机厂商如何随大流,三星手机都坚守...

发表于 2018-08-08 16:07 121次阅读
将于8月9日在纽约发布的三星Note 9有哪些新...

华为海思麒麟处理器的发展历程

业界曾经流传着很多关于海思的故事,其中一个比较有意思的:任总拍板成立海思之初,他给整个团队定下了两个...

发表于 2018-08-08 16:04 1258次阅读
华为海思麒麟处理器的发展历程

基于现场可编程门阵列(fpga)技术fir数字滤...

设计一个滤波器,其采样率 fs=1MHz,通带截止频率 fpass=50KHz,归一化表示fpass...

发表于 2018-08-08 15:55 339次阅读
基于现场可编程门阵列(fpga)技术fir数字滤...

探讨AMD授权X86给中国背后的企图

Zen架构处理器是目前最先进的X86-64处理器技术之一,可以说是IT科技行业的明珠,AMD为何轻易...

发表于 2018-08-08 15:44 375次阅读
探讨AMD授权X86给中国背后的企图

FPGA怎么搭复位电路 fpga复位电路设计方案

FPGA的可靠复位是保证系统能够正常工作的必要条件,本文对FPGA设计中常用的复位设计方法进行了分类...

发表于 2018-08-08 15:14 90次阅读
FPGA怎么搭复位电路 fpga复位电路设计方案