基于FPGA和TMS320DM642的CCD图像采集和处理系统硬

当CCD产生的视频信号为模拟信号对，对其直接传输、存储和处理比较困难，须要将模拟视频信号转换为数字视频信号，以便对其进行处理，并进行高效可靠的传输和存储。当前，数字图像采集和处理系统不仅要面临高速宽带、高精度的挑战，而且对采样时机、采样点数、采样速率的可控性也提出了较高的要求，本文提出了一种实时图像采集和处理系统的设计方法，该系统以TMS320DM642[1-2]为核心，结合视频解码芯片SAA7115H和OSD FPGA构成实时图像采集和处理系统电路。

1 系统总体设计

1.1 系统结构

本系统以TMS320DM642为核心，采用模块化设计思想，整个系统主要由视频解码芯片(A/D转换芯片)、可编程逻辑门阵列(OSD FPGA)、TMS320DM642及外围电路组成。外围电路主要包括CCD摄像机、SDRAM图像存储器、FLASH程序存储器及TMS320DM642外围电路(复位、电源连接等)。图1为该系统的结构框图。


1.2 系统工作原理

由CCD摄像头摄入的PAL制图像传送到SAA7115解码器，SAA7115解码器将信号转变成并行的BT.656图像码流送至TMS320DM642视频口VP0，TMS320DM642将其再解码，得到YUV(4:2:2)格式的图像，并通过EDMA传输到动态存贮器（SDRAM）中存储，图像大小为每场720×288（宽×高），每帧720×576（宽×高）。CPU通过访问SDRAM中的图像数据，依照相应的程序进行相应的图像处理。

在实时图像处理系统中，为了不影响数据处理速度，需要在恒速的CCD图像采集与变速的TMS320DM642图像处理之间加入缓冲电路，缓冲采用TMS320DM642视频口的片内FIFO和片外SDRAM的乒乓缓存结构。“乒乓操作”是一个经常应用于数据流控制的处理方法，如图2所示，其处理流程为：输入数据流通过指针等时地将数据流分配到数据缓冲区1、2和3中，在第1帧的时间，将输入的数据流缓存到1；第2帧将输入的数据流缓存到2，与此同时，将1的数据作运算处理。在下个缓冲周期，再次切换，将输入的数据流缓存到3，与此同时，将2的数据运算处理。如此循环，A、B、C、D、E为其5种状态。

乒乓操作的最大特点是按节拍、相互配合地切换，将经过缓冲的数据流不停顿地进行运算及处理。把乒乓操作模块当作一个整体，此模块两端的输入数据流与输出数据流均是连续不断的，没有任何停顿，因此非常适合进行流水线式处理，完成数据的无缝缓冲与处理。

2 功能模块设计

2.1 视频采集模块

本系统采用Philips公司的SAA7115视频解码芯片将CCD模拟视频进行数字化，然后传给TMS320DM642的视频端口进行处理，同时分离水平同步(XRH)和垂直同步(XRV)等信号。

视频解码芯片采用SAA7115，省去时钟同步电路的设计，简化接口电路，提高系统的可靠性。由摄像机采集到的模拟信号经过视频端子进入到解码器SAA7115的模拟端Al11，经模拟处理和A/D转换后产生数字色度信号和亮度信号，分别对其进行处理。亮度信号处理的结果一路送到信号处理器，进行综合处理，产生Y和UV信号，经格式化后采用4:2:2 YUV格式从IPD[7-0]输出直接连接到TMS320DM642视频口的VP0[9-2]管脚；另一路经过同步分离器，由数字PLL产生相应的同步信号与TMS320DM642的VP0CTL0和VP0CTL1相连，同时PLL驱动时钟发生器，产生27 MHz的时钟同步信号LLC，输出到TMS320DM642的VP0CLK0管脚。解码器SAA7115与TMS320DM642的视频接口的原理如图3所示。