基于FPGA的高速多路視頻數據采集系統

摘要：針對同時(shí)處理高速多路視頻數據的需求，以NiosIl軟核CPU為核心，通過(guò)在FPGA上構建可編程片上系統(System On Programmable Chip，SOPC)，利用SOPC系統自定義外設接口，配合DMA技術(shù)，完成對A／D轉換后的多路視頻數據的同時(shí)解碼采集。視頻解碼模塊采用滑動(dòng)窗法快速檢測定時(shí)基準信號。FPGA可重構的特性可以使系統根據實(shí)際應用需要在原方案基礎上擴展、裁減功能模塊，并根據資源情況重構系統，達到資源與效率的最優(yōu)匹配。
關(guān)鍵詞：FPGA；Nios；IP核；多路數據采集；視頻解碼

引言
數字圖像處理技術(shù)廣泛地應用在信息處理領(lǐng)域，如何高效、靈活地將現實(shí)世界圖像數字化是信息處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于FPGA技術(shù)設計了一個(gè)高速多路視頻數據采集系統?；贏(yíng)ltera Cyclone II芯片，構建一個(gè)集成NiosII軟核處理器、存儲器、I／O接口、自定義外設的可編程片上系統系統(System On Programmable Chip，SOPC)。利用FPGA高速并行處理能力，可同時(shí)對多路視頻數據進(jìn)行視頻解碼，大大提高系統數據采集前端的處理能力。
SOPC系統是可編程片上系統，由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統的主要邏輯功能，同時(shí)具有靈活的可重構特性?？筛鶕?shí)際應用中的不同需求裁剪、擴充、升級系統，并且軟硬件系統均可編程。NiosII軟核CPU的外設可由設計者自由配置，具有靈活且運行速度快的特點(diǎn)。

1 系統功能及特點(diǎn)
1．1 功能描述
本文所提出的系統以Altera公司CycloneII系列的EP2C70為核心，通過(guò)外接擴展板接入視頻信號，可同時(shí)采集處理2～6路視頻數據，將視頻數據解碼后提取出圖像區域的RAW DATA。SOPC系統通過(guò)自定義FIFO接口緩存數據，利用DMA技術(shù)將視頻數據搬移至存儲區域，供后續程序調用。
1．2 系統特點(diǎn)
本系統主要具有以下特點(diǎn)：
①采用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)的視頻解碼模塊可以高效地完成視頻編解碼工作，如果接入的視頻信號編碼格式不同，可以靈活重構每路視頻的解碼模塊，而不需要修改硬件設計。
②NiosII軟核CPU可以靈活地進(jìn)行任務(wù)調度，配合Nios IDE軟件編程環(huán)境，可以方便的對視頻A／D采集芯片進(jìn)行I2C總線(xiàn)配置。
③自定義FIFO接口緩存視頻數據，保證數據連貫性和準確性，FIFO的緩沖區的長(cháng)度和數據寬度均可以定制，針對每一路視頻數據格式配置不同的FIFO緩沖區。
④采用DMA技術(shù)完成采集數據從SOPC外設到內存的搬移，減輕CPU的負擔。

2 實(shí)現原理及系統結構
2．1 系統總體框架
整個(gè)系統主要分為SOPC系統、多路視頻解碼模塊、視頻A／D芯片絹、SDRAM存儲器幾大模塊。SOPC系統和多路視頻解碼模塊均由FPGA可編程邏輯資源實(shí)現。SOPC系統通過(guò)自定義FIFO(Custom FIFO)緩沖來(lái)自多路視頻解碼模塊(Multi-channel Video Decoder Module)的數據，DMA完成數據從Custom FIFO到SDRAM的搬移工作，NiosII CPU通過(guò)Avalon總線(xiàn)對視頻A／D采集芯片、自定義FIFO接口模塊以及DMA控制器進(jìn)行配置。系統總體結構如圖1所示。