基于FPGA的多路图像采集系统的软件设计

摘要：分析了现有的视频采集方案的研究现状，对如何采用CCD摄像头采集多通道、高分辨率、高质量的图像以及基于FPGA的嵌入式图像采集系统的实现方法做了研究。与传统图像采集系统相比，该系统主要利用四片视频解码芯片SAA7113H和两片FPGA完成对四路图像的同时采集、存储和显示，能根据FPGA里UART模块接收到的指令切换一路图像在LCD或是VGA上全屏显示。实现了对两个FPGA的级联配置，针对视频解码芯片ADV7181B，实现了I2C总线配置、ITU656解码以及数据格式的转换。并根据多次实验，时最终显示图像的抖动现象作了分析和提出解决方法。结果证明，该系统具有低成本、高可靠、灵活性好等特点。
关键词：SAA7113H；FPGA；ITU565；图像采集

工业现场因为环境复杂，实时性要求高，常常需要对一处或多处重要位置同时进行监控，且能够在需要时切换其中一幅画面全屏显示。这就要求设计一种实时视频监控系统，既能够满足工业现场应用的特殊环境，具有体积小、功耗低、可定制的特点，又能够对多点进行同时采集和同屏显示以及对其中的一路进行切换。
国内现有的视频监控方案一般是采用CCD摄像头+视频解码芯片(如SAA7113H／ADV7181B)+FPGA／CPLD+DSP的模式实现，其中视频解码芯片用来对CCD摄像头采集的模拟信号进行AD转换，FPGA／CPLD对数据采集进行控制，DSP最终对数据进行处理。这种方法开发周期长，成本高，且可更改性差。
本文介绍的系统主要由两片Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q20818和飞利浦公司的视频解码芯片SAA7113H以及外存储器件SRAM等组成。两片FPGA分别完成前端图像的采集和后端数据的处理，视频解码芯片完成模拟信号向数据信号的转换，存储器件在FPGA的控制下起到数据缓存作用。

1 系统描述
系统主要分为采集模块、解码模块、数据格式转换模块、存储模块、UART模块和LCD／VGA显示模块，如下图1所示。四片视频解码芯片在FPGA1的控制下通过I2C总线完成配置和初始化过程，输出8位与CCIR656兼容的YCrCb 4：2：2格式的视频数据，同时还包括行同步HS、场同步VS和奇偶场RTS0等信号。由于显示终端支持的是标准的RGB格式的数据，所以要对视频解码芯片输出的YCrCb 4：2：2格式数据进行转换。经转换所得的RGB数据在FPGA2的控制下，配合相应的时序信号，截取要显示的有效的640x480个像素，乒乓存入两个SRAM中，并最终在：LCD ／VGA显示模块的控制下将数据显示在屏幕上。UART通讯模块集成在FPGA里，通过PC机的串口发送相应的控制命令，FPGA接收后切换相应通道的画面。

2 系统软件结构
系统软件主要由采集模块、解码模块、存储模块、显示模块和UART模块组成，软件结构如图2所示。