數字網絡視頻監控器中多路轉接邏輯的設計

摘要：本文主要介紹在視頻監控板中多路視頻信號輸入情況下的數據緩存、信號格式轉換的設計，并用Altera的Cyclone器件實現的整個過程。包括簡單介紹視頻監控器電路板的原理，此轉接邏輯在系統中的作用和地位，并詳細介紹了此邏輯用FPGA設計實現的過程。

??? 隨著科技的日新月異，視頻監控市場也得到了飛速發展。視頻監控以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。近年來，隨著互聯網的大范圍普及，以及計算機、網絡以及圖象處理、傳輸技術的飛速發展，視頻監控技術也有長足的發展。視頻監控已經滲透到教育、政府、娛樂場所、醫院、酒店、運動場館、城市治安等多種領域，視頻監控服務器被稱為繼手機以后另外一個極具市場開發前景的消費電子產品。

??? 數字網絡視頻監控服務器主要完成從攝像頭獲取的模擬信號到數字化壓縮后送到網絡的功能，其原理框圖如圖1所示。

圖1　數字網絡視頻監控服務器原理框圖?

??? 由圖1所示，監控器電路板主要由A/D芯片，FPGA多路轉接芯片，壓縮芯片，CPU等組成。其中本文要介紹的多路轉接邏輯的FPGA實現位于A/D芯片和壓縮芯片之間，由于FPGA內部含有PLL模塊，所以跟FPGA連接的TW2804芯片的27MHz輸入時鐘可以由FPGA產生。

???? 這里選用Altera的Cyclone系列的EP1C6Q240C8，其內部有90k的存儲容量，6kLEBS，2個PLL，在后面的設計介紹中，將會講到整個設計用到了64k的存儲容量，1個PLL，大約4—5k左右的LEBS，所以選用此低成本的FPGA，可以完成此設計，而且基本上充分用到了內部的大多數資源，加上此芯片的引腳有240個，能滿足外面的引腳連接，所以Altera的EP1C6Q240C8成為此邏輯設計中最佳的選擇器件。

??? 如圖1所示，A/D芯片接受來自四個攝像頭的四路模擬視頻信號，這里采用Techwell公司的TW2804芯片，此芯片支持四路視頻模擬信號的輸入，輸出是數字ITU-R?BT.656格式的信號，時鐘是27MHz。D1、D2、D3、D4信號的時序圖如圖2所示。

圖2 ITU-R BT.656格式信號時序圖?

??? 其中EAV和SAV分別為行尾和行頭標志信號，他們中間是行與行之間的空白信號，SAV后面的VALID有效時的信號為1440bytes的d1格式的有效視頻信號，總的這些信號加起來是視頻信號的一行信號，一幀視頻信號包括576行這樣的行信號，也就是有效的這種格式的一幀輸出視頻信號為1440*576bytes的信號，由于每一行信號中由兩個bytes來表示一個像素，所以這種d1格式一幀的像素為720*576分辨率。

??? FPGA轉接邏輯要實現的功能是要在顯示終端上同時顯示四路的視頻信號。也就是要顯示如圖3所示的視頻信號。

??? 由于要在一個顯示終端上同時顯示四路信號，所以原來每一路信號的720*576分辨率要轉換為原來1/4的分辨率，即cif的格式，cif格式是352*288的分辨率，這樣四路cif格式的信號組合成如圖3所示的一個幀輸出到終端顯示出來。

??? 因為在終端顯示上是要求四路視頻信號同步輸出的，也就是不允許出現其中一路信號已經在顯示器上顯示出來了，但另外一路信號還沒有顯示出來，也就是出現畫面上一部分是黑屏的情況，所以在這種情況下，需要把四路不同的視頻信號先用FPGA在SDRAM中緩存起來，當每一路信號都在SDRAM中都至少存滿一幀時就可以同步讀出，并通過FPGA內部緩存組成如圖3所示的幀格式，然后輸出給壓縮芯片壓縮后由處理器控制輸出至網絡，這里的壓縮芯片選的是VWEB公司的VW2010。

圖3 顯示終端視頻信號格式?

???? 至此，FPGA要實現的功能已經非常清晰，首先把輸入的四路d1格式的信號分別轉換成四路cif格式的信號，然后把這四路信號分別緩存在SDRAM中，當SDRAM中每一路信號都至少存滿一幀時，同步讀出，讀出SDRAM到FPGA中后，經過格式的重新組合，最后組成如圖3所示的信號格式輸出。其中數據在SDRAM中的緩存控制是最重要也是最復雜的環節。下面詳細介紹此FPGA的邏輯設計與實現。

??? 由上面的介紹可知，此FPGA主要有三方面的接口，與TW2804的輸入接口，與SDRAM的緩存接口，與VW2010的輸出接口。所以FPGA的內部邏輯大致可以設計為如圖4所示。

圖4?FPGA內部邏輯結構框圖?

??? 輸入格式轉換模塊主要是完成四路信號從d1到cif格式的轉換，即從原來的720*576像素的分辨率轉換為352*288像素的分辨率。其轉換過程是把一幀中偶數行的數據全部去掉，每一行中按像素的順序一個隔一個的去掉，最后保留的數據就是原來1/4的數據。這個過程比較簡單，通過設計兩個行列計數器就能實現。其仿真圖如圖5所示。

圖5?d1到cif格式轉換的簡單仿真示意圖?

???? 圖5所示為在奇數行時數據一個空一個的有效，在一行讀完后，下一行就都設為無效。

??? 接下來是內部輸入緩沖模塊，此模塊用來控制與SDRAM控制相連接和進行數據緩存控制的模塊。其內部邏輯圖如圖6所示。

圖6?FPGA內部緩沖與內部SDRAM控制器的連接邏輯圖

??? 下面給出對此次設計以后可以擴展和改進的功能。

??? 首先，因為這是四路的多路轉換緩沖，所以直接把它們固定組合起來送至網絡顯示終端。如果需要支持更多路的視頻信號輸入進行多路轉換，例如輸入信號是8路或16路，那么送入網絡的時候就有一個組合的問題，即在顯示器上四幅圖像最終顯示視頻輸入的哪四幅。這在實際情況下也是經常出現的情況，例如在某個建筑物中安裝了8個攝像頭，在白天的情況下可能要監視樓道內的情況，而到晚上可能要監視樓外門口的情況，這就需要在FPGA中進行一個選擇，所以，此時可以在FPGA中加入一個I2C從模塊，通過此模塊可以與處理器通信，在FPGA中設置一些寄存器，通過由I2C送來的不同的寄存器配置指令，就可以實現顯示器上圖像的實時切換。

??? 其次，由于Cyclone系列的產品存儲容量比較有限，如果要增加到16路這樣的規模，輸入輸出緩沖的存儲容量必將不夠，所以此時可以考慮用Cyclone2系列的產品。

??? 另外，如果以后要完成路數比較多的轉接，可以在監控器板上多加幾塊TW2804和VW2010芯片,這樣就需要FPGA的輸入輸出引腳要足夠多,而EP1C6Q240C8這樣的FPGA芯片有240個引腳,足夠擴展需要。

??? 總之，在這樣的轉接邏輯中用到Altera的Cyclone系列低成本的FPGA產品，充分利用了其現有的內部資源，而且價格也是非常的易于接受，是非常理想的選擇。