數字網(wǎng)絡(luò )視頻監控器中的多路轉接邏輯的設計與實(shí)現

摘要：本文主要介紹在視頻監控板中多路視頻信號輸入情況下的數據緩存、信號格式轉換的設計，并用altera的cyclone器件實(shí)現的整個(gè)過(guò)程。包括簡(jiǎn)單介紹視頻監控器電路板的原理，此轉接邏輯在系統中的作用和地位，并詳細介紹了此邏輯用fpga設計實(shí)現的過(guò)程。

隨著(zhù)科技的日新月異，視頻監控市場(chǎng)也得到了飛速發(fā)展。視頻監控以其直觀(guān)、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場(chǎng)合。近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的大范圍普及，以及計算機、網(wǎng)絡(luò )以及圖象處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監控技術(shù)也有長(cháng)足的發(fā)展。視頻監控已經(jīng)滲透到教育、政府、娛樂(lè )場(chǎng)所、醫院、酒店、運動(dòng)場(chǎng)館、城市治安等多種領(lǐng)域，視頻監控服務(wù)器被稱(chēng)為及手機以后另外一個(gè)極具市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景的消費電子產(chǎn)品。

數字網(wǎng)絡(luò )視頻監控服務(wù)器主要完成從攝像頭獲取的模擬信號到數字化壓縮后送到網(wǎng)絡(luò )的功能，其原理框圖如圖1所示。

由圖1所示，監控器電路板主要由A/D芯片，FPGA多路轉接芯片，壓縮芯片，CPU等組成。其中本文要介紹的多路轉接邏輯的FPGA實(shí)現位于A(yíng)/D芯片和壓縮芯片之間，由于FPGA內部含有PLL模塊，所以跟FPGA連接的TW2804芯片的27m輸入時(shí)鐘可以由FPGA產(chǎn)生。

這里選用altera的cyclone系列的EP1C6Q240C8，其內部有90k的存儲容量，6kLEBS，2個(gè)PLL，在后面的設計介紹中，將會(huì )講到整個(gè)設計用到了64k的存儲容量，1個(gè)PLL，大約4—5k左右的LEBS，所以選用此低成本的FPGA，可以完成此設計，而且基本上充分用到了內部的大多數資源，加上此芯片的引腳有240個(gè)，能滿(mǎn)足外面的引腳連接，所以altera的EP1C6Q240C8成為此邏輯設計中最佳的選擇器件。

如圖1所示，A/D芯片接受來(lái)自四個(gè)攝像頭的四路模擬視頻信號，這里采用Techwell公司的TW2804芯片，此芯片支持四路視頻模擬信號的輸入，輸出是數字ITU-R BT.656格式的信號，時(shí)鐘是27m。。D1、D2、D3、D4信號的時(shí)序圖如圖2所示。

圖2

其中EAV和SAV分別為行尾和行頭標志信號，他們中間是行與行之間的空白信號，SAV后面的VALID有效時(shí)的信號為1440bytes的d1格式的有效視頻信號，總的這些信號加起來(lái)是視頻信號的一行信號，一幀視頻信號包括576行這樣的行信號，也就是有效的這種格式的一幀輸出視頻信號為1440*576bytes的信號，由于每一行信號中由兩個(gè)bytes來(lái)表示一個(gè)像素，所以這種d1格式一幀的像素為720*576分辨率。

FPGA轉接邏輯要實(shí)現的功能是要在顯示終端上同時(shí)顯示四路的視頻信號，也就是要顯示如圖3所示的視頻信號。

圖3

由于要在一個(gè)顯示終端上同時(shí)顯示四路信號，所以原來(lái)每一路信號的720*576分辨率要轉換為原來(lái)1/4的分辨率，即cif的格式，cif格式是352*288的分辨率，這樣四路cif格式的信號組合成如圖3所示的一個(gè)幀輸出到終端顯示出來(lái)。

因為在終端顯示上是要求四路視頻信號同步輸出的，也就是不允許出現其中一路信號已經(jīng)在顯示其上顯示出來(lái)了，但另外一路信號還沒(méi)有顯示出來(lái)也就是出現畫(huà)面上一部分是黑屏的情況，所以在這種情況下，需要把四路不同的視頻信號先用FPGA在sdram中緩存起來(lái)，當每一路信號都在sdram中都至少存滿(mǎn)一幀時(shí)就可以同步讀出，并通過(guò)FPGA內部緩存組成如圖3所示的幀格式，然后輸出給壓縮芯片壓縮后由處理器控制輸出至網(wǎng)絡(luò )，這里的壓縮芯片選的是VWEB公司的VW2010。

至此，FPGA要實(shí)現的功能已經(jīng)非常清晰，首先把輸入的四路d1格式的信號分別轉換成四路cif格式的信號，然后把這四路信號分別緩存在sdram中，當sdram中每一路信號都至少存滿(mǎn)一幀時(shí)，同步讀出，讀出sdram到FPGA中后，經(jīng)過(guò)格式的重新組合，最后組成如圖3所示的信號格式輸出。其中數據在sdram中的緩存控制是最重要也是最復雜的環(huán)節。下面詳細介紹此FPGA的邏輯設計與實(shí)現。

由上面的介紹可知，此FPGA主要有三方面的接口，與TW2804的輸入接口，與sdram的緩存接口，與VW2010的輸出接口。所以FPGA的內部邏輯大致可以設計為如圖4所示。

圖4

下面對各個(gè)模塊分別進(jìn)行介紹。
輸入格式轉換模塊的主要是完成四路信號從d1到cif格式的轉換，即從原來(lái)的720*576像素的分辨率轉換為352*288像素的分辨率。其轉換過(guò)程是把一幀中偶數行的數據全部去掉，把奇數行中的數據，按奇數列的順序一個(gè)隔一個(gè)的去掉，最后保留的數據就是原來(lái)1/4的數據。這個(gè)過(guò)程比較簡(jiǎn)單，通過(guò)設計兩個(gè)行列計數器就能實(shí)現。其仿真圖如圖5所示。 

圖5

圖5所示為在奇數行時(shí)數據一個(gè)空一個(gè)的有效，在一行讀完后，下一行就都設為無(wú)效。

接下來(lái)是內部輸入緩沖模塊，此模塊式用來(lái)控制與sdram控制相連接和進(jìn)行數據緩存控制的模塊。其內部邏輯圖如圖6所示。

如圖6所示，此模塊主要設置了四個(gè)FIFO。因為sdram只有一個(gè)數據通道，所以四路信號輸入時(shí)必須先進(jìn)行內部緩存才能無(wú)丟失的存儲于sdram中。所以此時(shí)要把FIFO的讀時(shí)鐘至少設為寫(xiě)時(shí)鐘的四倍，這樣才能在FIFO沒(méi)有存滿(mǎn)時(shí)就能把每一路的信號從FIFO緩存中讀出到sdram中。

 由于sdram的數據是32位的，這里把四個(gè)FIFO也設為32位，所以在四路cif格式的信號進(jìn)入FIFO之前要先用四個(gè)寄存器進(jìn)行8/32的轉換。只要設置四個(gè)移位寄存器就可實(shí)現。

如圖5所示，cif格式的信號的輸入時(shí)鐘是27/2m的，由于FIFO是32位的，所以FIFO的讀時(shí)鐘要至少設成（8/32）*（27/2）*4=13.5m。

對于這里的FIFO的數據容量，把每個(gè)FIFO都設為256個(gè)深度，這樣就需要256*32=8k的容量，四個(gè)FIFO就需要8*4=32k的容量。所以在輸入緩沖中用到了FPGA中32k的存儲資源。

由于四路cif格式的信號是每隔704（352*2）bytes就會(huì )出現704個(gè)無(wú)效的數據，即數據是一行隔一行的有效的，而sdram需要讀寫(xiě)兩個(gè)獨立的帶寬，所以可以把sdram的讀寫(xiě)周期分別設為704個(gè)bytes的長(cháng)度，這樣在704個(gè)有效數據到來(lái)的時(shí)候就給sdram控制器寫(xiě)數據，而在704個(gè)無(wú)效數據到來(lái)時(shí)，就對sdram控制器讀數，這樣就解決了sdram只有一個(gè)數據通道的問(wèn)題。

但是，由于sdram還有自刷新周期，而且對其控制的命令是有一定延時(shí)的，所以這里把sdram對數據的讀寫(xiě)時(shí)鐘頻率再提高一倍，即由上面算得的13.5m提高到27m，對于cyclone系列的FPGA來(lái)說(shuō)，這樣的邏輯是很容易跑到27m的時(shí)鐘頻率的。

數據從FIFO中讀出后，就要送入到sdram控制器中，sdram控制器可以由quartus的megacore產(chǎn)生，也可以根據需要自己設計，這里是自己設計的，sdram控制器的輸入輸出接口如圖7所示。 

如圖7所示，sdram控制器的左面為用戶(hù)接口，右面為sdram接口，用戶(hù)給sdram發(fā)出請求命令（cmd），當收到回應信號（cmdack）時(shí)，sdram給用戶(hù)端發(fā)送或讀取數據。

這里用到的是64m的sdram，因為每一路cif格式的信號每幀數據是352*288個(gè)像素，即704*288=202752bytes，這里給每一路信號分配兩幀的地址空間。由于sdram有突發(fā)數據長(cháng)度（burst length）和整頁(yè)（full page）兩種數據操作方式，而這里因為數據比較大，所以采用了full page的方式，這種方式是在讀寫(xiě)命令有效后，即在時(shí)鐘控制下讀出整頁(yè)256個(gè)32bits的數據，這樣讀寫(xiě)數據的效率就可以提高很多。

因為sdram中數據的寬度是32位的，而cif格式的信號是8位的，所以只需要給每路信號分配2*704*288/4=101376的地址空間。

如圖8所示為sdram控制器的讀寫(xiě)時(shí)候的控制信號圖。

a

b

圖8

圖8中a為對sdram寫(xiě)數據的命令，b為對sdram讀數據的命令，由圖可以看出，通過(guò)sdram控制器的轉換，在接收到回應信號（cmdack）后，把讀寫(xiě)命令分別轉換成了rasn，casn，wen控制指令。其中讀寫(xiě)指令分別對應如下。

寫(xiě)數據 ：rasn=1 ；casn=0 ；wen=0 ；
讀數據 ：rasn=1 ；casn=0 ；wen=1 ；

數據從sdram讀出時(shí)，應滿(mǎn)足每一路信號都至少在sdram中存滿(mǎn)一幀的條件。當可以同步讀出時(shí)，由于還是要四路讀出，所以在讀出端口還要設置四個(gè)FIFO，用來(lái)緩存數據，以進(jìn)行信號的組幀。

這里把四個(gè)FIFO同樣設為32位寬度，256長(cháng)度，所以這里總共也是用到了32k的存儲容量。加上上面sdram控制器輸入端用到的32k存儲容量，在整個(gè)FPGA中用到了64k的存儲容量，對于EP1C6Q240C8的90k存儲容量來(lái)說(shuō)是足夠的而且利用率也是比較高的了。

輸出FIFO緩存后，就要把四路信號按照每一幀如圖3的格式輸出，也就是第一行的前一半的704bytes輸出第一路信號，后一半704個(gè)bytes輸出第二路信號，然后直到第289行開(kāi)始，前一半的704bytes輸出第三路信號，后一半704個(gè)bytes輸出第四路信號，這樣最后在網(wǎng)絡(luò )顯示終端就可以在一個(gè)屏幕上看到如圖3所示的四幅圖像。

如圖9所示為在前兩行的數據輸出波形圖。 

由圖可知，第一和第二路的輸出FIFO分別在兩個(gè)rden信號下控制數據的讀出，而這兩個(gè)rden信號就是由計數器計數至704產(chǎn)生的，再另外設置一個(gè)行計數器，當此計數器計數至289時(shí)，輸出dout就換為第三和第四路信號的輸出FIFO。

到此為止，整個(gè)FPGA的設計大致完成。下面給出對此次設計以后可以擴展和改進(jìn)的功能。

首先，因為這是四路的多路轉換緩沖，所以直接把它們固定組合起來(lái)送至網(wǎng)絡(luò )顯示于終端。如果需要支持更多路的視頻信號輸入進(jìn)行多路轉換，例如輸入信號時(shí)8路或16路，那么送入網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候就有一個(gè)組合的問(wèn)題，即在顯示器上四幅圖像最終顯示視頻輸入的哪四幅。這在實(shí)際情況下也是經(jīng)常出現的情況，例如在某個(gè)建筑物中安裝了8個(gè)攝像頭，在白天的情況下可能要監視樓道內的情況，而到晚上可能要監視樓外門(mén)口的情況，這就需要在FPGA中進(jìn)行一個(gè)選擇，所以，此時(shí)可以在FPGA中加入一個(gè)I2C從模塊，通過(guò)此模塊可以與處理器通信，在FPGA中設置一些寄存器，通過(guò)由I2C送來(lái)的不同的寄存器配置指令，就可以實(shí)現顯示器上圖像的實(shí)時(shí)切換。

其次，由于cyclone系列的產(chǎn)品存儲容量比較有限，如果要增加到16路這樣的規模，輸入輸出緩沖的存儲容量必將不夠，所以此時(shí)可以考慮用cyclone2系列的產(chǎn)品。

另外，如果以后要完成路數比較多的轉接，可以在監控器板上多加幾塊TW2804和VW2010芯片,這樣就需要FPGA的輸入輸出引腳要足夠多,而EP1C6Q240C8這樣的FPGA芯片有240個(gè)引腳,足夠擴展需要。
總之，在這樣的轉接邏輯中用到altera的cyclone系列低成本的FPGA產(chǎn)品，充分利用了其現有的內部資源，而且價(jià)格也是非常的易于接受，是非常理想的選擇。