利用FPGA實(shí)現的一種機載高清視頻處理模塊

現代飛機座艙顯示技術(shù)的發(fā)展日新月異，需要顯示各種傳感器信息的數據已經(jīng)達到海量規模。飛行員在不同飛行時(shí)段獲得的信息也越來(lái)越多，為了使飛行員能夠在某特定的飛行時(shí)段認讀和處理更為精確的信息，并且各種傳感器信息融合在同一個(gè)坐標系中，因此需要研究機載環(huán)境中高清視頻處理技術(shù)，研究在較大尺寸的顯示器上顯示處理高清視頻信號。

高清視頻處理模塊位于顯示分系統中，加速顯示高清視頻信號，實(shí)現高清視頻的縮放和疊加。滿(mǎn)足了飛行員對大尺寸和高清晰視頻顯示的需求。模塊接收顯示命令和視頻數據，將融合信息加速顯示到顯示器上，同時(shí)接收解碼兩路高清外視頻信號，在FPGA芯片中實(shí)現內視頻和外視頻的運算處理，包括縮放和疊加，并且將處理后的視頻信息按照不同的要求輸出到顯示器上。

高清視頻處理模塊系統結構

高清視頻處理模塊內部包含圖形處理器，它接收顯示命令和數據，加速渲染圖形畫(huà)面，輸出為高清視頻信號，在FPGA中運算融合外視頻信號，兩路分別輸出到外部顯示器上，視頻格式分別為高清LVDS和高清DVI。

高清視頻處理模塊主要功能電路包括圖形處理器電路、視頻疊加和縮放邏輯電路、編解碼電路和供電復位時(shí)鐘電路。模塊系統組成框圖如圖1所示。

高清視頻處理模塊硬件電路設計

圖形處理器電路

圖形處理器電路主要負責內部高清視頻的生成和視頻輸出控制。它將繪圖數據和命令通過(guò)二維和三維圖形加速管線(xiàn)加速生成并且存儲在顯存中，輸出控制部件將顯存中的數據按照相應格式輸出視頻信號。

圖形處理器選用AMD公司的M9000芯片，該芯片支持高清視頻處理，支持二維和三維圖形硬件加速，OpenGL圖形接口標準，工作頻率高達250MHz，64MByte的顯存容量，兩路獨立的顯示輸出通道，可選擇LVDS、DVI、VGA、TV和并行LCD接口。本設計中，圖形處理器生成內部視頻信號分辨率為1920×1080，刷新頻率為60Hz。

視頻疊加和縮放邏輯電路

視頻疊加和縮放邏輯電路包括FPGA和SRAM兩部分電路，完成內視頻和外視頻的疊加運算和縮放。從FPGA的角度計算，其功能接口包括，一路高清內視頻信號，由圖形處理器生成，兩路高清外視頻信號，經(jīng)過(guò)解碼器解碼后輸出到FPGA芯片中，一路高清DVI視頻輸出，對外輸出一路高清DVI信號，一路雙LVDS視頻輸出，滿(mǎn)足高清LVDS信號輸出到液晶顯示器上，最后是SRAM緩存部分，實(shí)現視頻信號緩存功能。

基于FPGA功能接口數量和模塊功耗的要求，本設計選擇XILINX公司的SPARTAN-6系列中的XC6SLX150-2FGG9001芯片。該片共有147443個(gè)邏輯處理單元，可使用的I/O管腳多達576個(gè)，邏輯資源相當豐富，能夠滿(mǎn)足高清視頻縮放和疊加功能對邏輯資源的需求。

SRAM存儲器用來(lái)緩沖視頻信息，它用觸發(fā)器存儲信息，觸發(fā)器在信息讀出后可以保持原有的狀態(tài)，因此SRAM不需要再生。即使DRAM的集成度比SRAM高，并且功耗小，價(jià)格低，但是目前SRAM容量在增大，速度比DRAM高，時(shí)序控制比DRAM簡(jiǎn)單。最重要的是SRAM作為存儲芯片比較穩定，因此本設計選擇CYPRESS公司的SRAMCY7C1470BV33-167AXI作為視頻信號緩存。模塊采用6片SRAM，該芯片存儲容量為2 M×36 bits，3.3V供電，支持167MHz的總線(xiàn)操作，工作溫度為-40℃到+85℃，滿(mǎn)足視頻緩存的需求。

編解碼電路

編解碼電路由解碼電路和編碼電路組成。解碼電路主要完成兩路高清數字DVI視頻的解碼功能，將解碼后符合類(lèi)VESA視頻時(shí)序的數字RGB信號傳輸到FPGA中。解碼電路采用兩片AD公司的ADV7162。該芯片為雙通道高清數字DVI解碼器，支持HDMI標準1.4a，具有可編程均衡器，每一個(gè)HDMI接口支持5V供電和熱插拔檢測，工作頻率高達225 MHz，工作溫度為-40℃到+85℃。

編碼器電路完成兩路視頻的編碼功能，分別將FPGA輸出的數字RGB視頻信號編碼轉換成一路雙LVDS信號和一路高清DVI信號。雙LVDS信號直接驅動(dòng)液晶顯示器，物理鏈路共有2對差分時(shí)鐘線(xiàn)和8對差分數據線(xiàn)，它從FPGA接收并行數字RGB信號轉換成串行LVDS信號。該編碼器采用NI公司的DS90C387來(lái)完成雙LVDS信號的編碼和發(fā)送功能，該芯片支持單像素和雙像素兩種數據傳輸方式，能將48bit并行TTL數據(雙24位色像素)轉換成8對LVDS差分數據線(xiàn)，雙像素速率最高支持112MHz，能夠滿(mǎn)足1080p高清視頻的編碼和驅動(dòng)傳輸的要求。

另一路高清DVI信號同樣是從FPGA芯片接收并行數字RGB信號后編碼轉換而來(lái)，所承載的邏輯傳輸內容和雙LVDS信號通路相同，不同的是它將并行數字RGB視頻編碼成串行差分的TMDS物理鏈路信號，編碼器采用AD公司的ADV7513，該芯片是一款高分辨率多媒體接口編碼器，支持DVI的v1.4協(xié)議，其并行發(fā)送時(shí)鐘高達165MHz，支持1080p的視頻編碼，滿(mǎn)足編碼格式和高清分辨率的要求。

供電復位時(shí)鐘電路

供電復位時(shí)鐘電路完成高清視頻處理模塊的電源設計、時(shí)鐘設計和系統復位功能。本模塊采用單+5V供電，需要輸入電流大約4安培，模塊內部各個(gè)芯片需要1.2V、1.8V、2.5V和3.3V四種電壓，所有芯片沒(méi)有上電順序的要求，因此可以使用兩路開(kāi)關(guān)電源轉換芯片LTM4616實(shí)現。時(shí)鐘電路提供支持模塊需要的時(shí)鐘頻率，本設計中高清DVI解碼器需要28.63636MHz的時(shí)鐘頻率，圖形處理器和FPGA芯片需要25MHz和27MHz的時(shí)鐘頻率。這三種時(shí)鐘均由相應頻點(diǎn)的晶振產(chǎn)生。

穩定的復位電路是模塊穩定工作的前提，本設計提供手動(dòng)復位、上電復位和電源監控。當這三種復位條件之一具備時(shí)，均會(huì )復位模塊。