基于FPGA的視頻采集顯示系統

摘要 設計實(shí)現一種基于FPGA的視頻采集顯示系統，包括視頻圖像的采集、處理與顯示3個(gè)部分。視頻圖像部分采用CCD攝像頭OV7670作為視頻數據的采集，利用在FPGA中構建FIFO并配合SDRAM高速讀寫(xiě)實(shí)現視頻圖像數據的高速緩存處理，使用FPGA中構建的Nios Il嵌入式內核，實(shí)現對SDRAM的控制以及視頻數據的TFT液晶實(shí)時(shí)顯示。整個(gè)系統獲得了較好圖像采集、顯示效果。
關(guān)鍵詞 FPGA；視頻處理；TFT LCD；Nios II

隨著(zhù)高品質(zhì)實(shí)時(shí)視頻顯示技術(shù)低，民用領(lǐng)域如天氣預報、資源探測、機器人視覺(jué)以及各種醫學(xué)圖像的實(shí)時(shí)分析；軍用領(lǐng)域如導彈精確制導、戰場(chǎng)動(dòng)態(tài)分析等，均需要高質(zhì)量實(shí)時(shí)視頻顯示系統的支持。近年來(lái)低成本的FPGA(Filed Programmable Gate Array)不斷推陳出新，利用EDA工具對FPGA芯片進(jìn)行多樣性設計，已經(jīng)成為電子設計的通用平臺，并逐步向支持系統級設計的方向發(fā)展。與專(zhuān)用集成電路相比，FPGA芯片
具有快速的定制性和高靈活性，擴展性強的特點(diǎn)。作為一個(gè)平臺，FPGA已適用于高性能低成本的視頻和圖像處理，尤其在圖像分辨率和幀率要求較高的場(chǎng)合。
設計采用CMOS圖像傳感器OV7670對外界圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)FPGA內部設計的初始化模塊對圖像傳感器輸出信號的格式進(jìn)行配置。根據其輸出信號的時(shí)序，在FPGA內部設計采集單元。采集到的數據經(jīng)過(guò)格式轉換送到內部配置的Nios II嵌入式內核，Nios II嵌入式內核將實(shí)現LCD顯示屏控制與視頻數據的實(shí)時(shí)顯示。

1 系統總體設計
基于FPGA實(shí)現的視頻顯示系統的整體結構框圖如圖1所示。系統主要分為：視頻采集模塊、PLL鎖相環(huán)時(shí)鐘管理模塊、I2C總線(xiàn)模塊、FI FO視頻數據處理模塊、Nios II顯示控制模塊。系統中PLL負責為NiosII嵌入式內核、外部SDRAM和OV7670攝像頭提供時(shí)鐘，系統通電后，FPGA首先從EPCS中讀取配置數據，完成自身程序加載，隨后對系統時(shí)鐘分頻為攝像頭提供系統時(shí)鐘，然后通過(guò)I2C總線(xiàn)完成對OV7670攝像頭的配置。

配置完成后，OV7670將采集到的視頻數據輸出格式轉換成RGB565標準的視頻數據及圖像時(shí)鐘送入FPGA進(jìn)行處理，并將處理后的圖像數據通過(guò)FIFO模塊暫時(shí)存儲在SDRAM中進(jìn)行緩沖，同時(shí)Nios II模塊讀取存放在SDRAM中的視頻圖像數據，按照TFT液晶顯示的時(shí)序、數據要求將視頻圖像數據送到TFT彩色液晶顯示屏上顯示。
1．1 FPGA選型
FPGA是該系統的核心，由于系統目前只是完成簡(jiǎn)單的圖像處理，故FPGA選用Altera公司的低成本FPGA Cyclone II系列器件。Cyclone II系列器件簡(jiǎn)介如表1所示。

Cyclone II器件采用90 nm工藝制造，它延續Cyclone的低成本定位，在邏輯容量、PLL、乘法器和I／O數量上都比Cyclone有了較大提高，應用Cyclone II進(jìn)行圖像處理開(kāi)發(fā)有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)低成本高性能，適應圖像處理要求較高的需要。(2)豐富的內嵌存儲器資源，適應大量圖像數據存取的需要。(3)豐富的硬件乘法器，適應圖像處理算法的需要。系統的FPGA選用開(kāi)發(fā)板自帶的EP2C5Q208C8芯片。