基于FPGA机载实时视频图形处理系统的设计

摘要 给出了某机载实时视频图形处理系统的硬件电路设计方案，以XC5VFX70T FPGA作为核心处理器，实现了对DVI及PAL等多种格式视频信号的解码、实时处理以及输出。系统电路设计简洁，具有较强的灵活性和扩展性。文中介绍了系统的硬件整体架构，论证了视频编解码模块和视频缓存模块的硬件设计方案。实际测试结果表明，系统能够流畅地对1 600×1 200分辨率，60帧／s刷新率，24位真彩色的高清视频进行处理，对1帧高清视频的处理时间最长不超过3 ms，具有较高的实时性能。
关键词 实时视频图形处理；嵌入式硬件设计；FPGA

随着科技的高速发展，飞机对机载电子系统提出了越来越高的要求，飞机性能的改善在很大程度上依赖于机载电子系统性能的提升。在飞行器机载电子系统中，显示系统是飞机与飞行员进行人机交互的桥梁，它将各种飞行参数转换为视觉信息，显示在显示器上。飞行员可以实时读取这些信息，从而做出判断。
文中设计了某机载视频图形处理系统的硬件电路部分，视频图形处理系统是机载显示系统的子系统，用于在机载显示器上显示高像素的图形与外部输入视频叠加形成的视频信号。系统以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA为核心处理器，搭配多种外围视频处理芯片，实现了对高清视频的缩放、格式转换和叠加高像素图形符号等多种处理功能，并且具有较高的实时性。

1 系统概况
1．1 系统需求
机载视频图形处理系统的主要功能是接收多种格式的外部视频信号，生成点阵式字符信号，进行视频格式的转换，并可输出生成字符与外视频叠加的视频信号。
系统接收PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，数字视频接口)制式的视频信号和．PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express，扩展外设部件互连标准)视频信号，对视频进行缩放、格式转换等处理后，叠加上高像素的图形，并按要求输出合成的视频信号。
1．2 总体方案设计
结合系统需求，确定系统的总体设计方案为：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA为核心处理器，利用其强大逻辑资源和丰富的IP核，配以相应的外部电路，构建出一个灵活、简洁、可靠的机载视频图形处理系统的嵌入式硬件模块。利用XC5VFX707T中内嵌的Power PC 440硬核处理器，在该处理器上移植美国风河公司的Vxworks操作系统，通过操作系统管理网络和PCI-E等接口，并在操作系统的基础上，实现相应的图形操作及视频处理API(Application Programming Interface，应用程序编程接口)函数，用户的应用程序通过调用API函数来构建最终的视频输出。

2 系统硬件模块设计
2．1 硬件整体架构
根据设计要求，选择XC5VFX70T FPGA作为核心处理器，该处理器采用65 nm工艺制造，是专为嵌入式应用而开发的。处理器内置主频550 MHz的PowerPC440内核、PCI-E端点和以太网等模块。系统硬件部分还包括视频编解码芯片，DDR2视频缓存，PowerPC外存等外围电路，整个系统的硬件框图如图1所示。