基于FPGA技术的红外实时采集系统设计

摘要：介绍了一种基于FPGA技术的红外视频采集系统组成架构，给出了各功能模块的实现方法，包括主要的HDL代码、SignaltapII波形以及QuartusII顶层原理，并制作电路板进行调试，最终的红外图像通过VGA实时显示。结果表明该系统能充分利用FPGA技术的优势，具有扩展性好、控制灵活、开发周期短等特点。

1 系统架构

红外视频监测系统的FPGA部分由5个模块组成，分别是I2C配置模块、图像采集模块、YUV2RGB模块、SRAM控制模块、VGA控制模块。配置模块通过I2C总线来对ADV7181B芯片进行配置。配置成功后，ADV7181B将产生图像采集模块所需的行场同步信号，并将红外摄像头输入的复合视频信号转化为标准的NTSC／PAL制式，输入到图像采集模块；图像采集模块用来提取YUV(BT656)图像中的有效数据；YUV2RGB模块将YUV图像数据转化为RGB格式以供VGA显示；VGA控制模块用来产生D／A芯片(ADV7123)工作的同步信号、图像数据，以及控制图像数据从SRAM中读出。红外视频监测系统框图如图1所示。

 

2 系统硬件设计

2．1 I2C配置模块

ADV7181B是Analog公司的一款应用广泛的视频解码芯片。该芯片自动监测输入的复合视频信号，通过I2C总线配置接口，可选择图像输出方式(NTSC／PAL等)，本文以输出NTSC制式视频图像为例，给出了所需配置的寄存器地址和配置参数值，NTSC制式视频图像寄存器地址和配置参数值如表1所列。

ADV7181B芯片作为I2C总线通信的从器件，其ALSB引脚电平的高低所对应的器件地址是不同的，从器件读写地址如表2所列，本系统将ALSB引脚接地，写地址设置为0x40，所有地址代码用十六进制表示。

2．2 图像采集模块

NTSC默认输出的图像为奇偶场交替输出，数据信号和行场同步信号时序关系如图2所示。奇偶场分别有253有效行，本文获取其偶数场图像用于传输和显示。BT．656定义了一个并行的硬件接口，传输的视频图像格式为YCbCr 4：2：2(Y为亮度信号，Cb、Cr分别为蓝色信号分量和红色信弓分量)。一行图像数据的有效像素为720，一个像素占用两个字节，格式为CbYCrYCbYCrY。本文采用每两个像素即每输出CbYCrY获取一组CbYCr，这一组数据通过移位寄存器得到3路8位的并行数据送入YUV2RGB模块，此时有效像素被压缩成360个。720×525的图像数据通过本模块的采集，可传送的有效像素为360×253。

一行图像数据的起始／结束(SAV／EAV)和所在数据帧的位置是根据BT656图像格式(即根据检测到的ADV7181B输出数据序列“FF，00，00．xy”)来判断的。奇数场的有效行起始时xy为0xC7，结束时xy为0xDA；偶数场的有效行起始时xy为0x80，结束时xy为0x9D。xy各位含义如表3所列。最高位bit7为同定数据1，F=0表示偶数场，F=1表示奇数场；V=0表示该行为有效视频数据，V=1表示该行无有效视频数据；H=0表示为SAV信号(行起始)，H=1表示为EAV信号(行结束)；低4位为保护信号。

图3为SignaltapII观测到的图像数据采集时序。hactive_even高电平期间为有效图像数据采集阶段，yuvdin为从ADV7181B输出的8位并行图像数据．当“FF 0000 ε0”到来时，开始采集偶数场图像的一行有效像素，其中黑线分隔的reg1、reg2、reg3为提取的3路即将送入RGB转化模块的图像数据。

2．3 YUV2RGB转化模块

VGA显示器所需的图像数据为RGB格式，所以需要对YCrCb进行转化，转化公式如下：
R=1．1 64(Y-16)+1．596(Cr-128) (1)
G=1．164(Y-16)-0．81 3(Cr-128)-0．392(Cb-128) (2)
B=1．1 64(Y-16)+2．017(Cb-128) (3)
浮点运算需要大量的FPGA资源，进而影响系统性能，本系统采用查找表来简少FPGA运算量，将上式中5个不同的系数分量分别编写查找表。为进一步简化运算将(1)式两边乘以2，以式(1)为例，查找表如下：

设a=2×1．1 64Y．b=2×1．596Cr式(1)简化为：2R=a+b-446。若(a+b)>446，则R分量值为(a+b446)／2；若(a+b)<446，则R分量值为0。
同理可算出G、B分量，即完成了YCrCb到RGB的转化。由于SRAM数据线为16位，各取3路8位RGB分量的R信号(5位)，G信号(6位)，B信号(5位)写入SRAM。当RGB_wrdata为非零图像数据时，将其写入SRAM即实现了分辨率由720×525向360×250的转化。