12.1 設(shè)計(jì)需求分析與芯片選型
在數(shù)字圖像處理和通信、遙感圖像分析、醫(yī)學(xué)成像診斷等應(yīng)用領(lǐng)域,為了便于顯示、觀察或進(jìn)行進(jìn)一步的處理,常常需要對原始的數(shù)字圖像進(jìn)行特征提取(如邊緣檢測、邊緣銳化)、噪聲平滑濾波、幾何校正、尺寸縮放等處理,這類圖像處理技術(shù)稱為圖像的預(yù)處理。在實(shí)際應(yīng)用中,圖像的預(yù)處理功能很多可以通過FPGA來實(shí)現(xiàn)。
基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性,可以實(shí)現(xiàn)高度集成性,縮小產(chǎn)品的體積。而且,可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)。
本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能是對光學(xué)或者紅外攝像機(jī)器輸出的視頻信號(模擬)進(jìn)行數(shù)字倍焦處理。這樣可以實(shí)現(xiàn)焦距拉長一倍的光學(xué)效果,然后仍然以原有的信號格式輸出,送給顯示設(shè)備。
12.1.1 需求分析
下面講解數(shù)字圖像倍焦系統(tǒng)的輸入輸出特性及系統(tǒng)指標(biāo)。
1.系統(tǒng)輸入信號指標(biāo)
(1)視頻輸入制式:PAL制式。掃描方式為隔行掃描。
(2)同步模式:內(nèi)部同步。
(3)電氣特性:峰峰值為1.0V,阻抗為75W,BNC接口。
(4)分辨率:570線TV標(biāo)準(zhǔn),數(shù)字化后為720´576,每秒25幀。
2.系統(tǒng)輸出信號指標(biāo)
(1)視頻輸出制式:PAL或者NTSC可選,可以通過開關(guān)來切換。掃描方式為隔行掃描。
(2)同步模式:內(nèi)部同步或者外部同步。
(3)電氣特性:峰峰值為1.0V,阻抗為75W,BNC接口。
(4)分辨率:570線TV標(biāo)準(zhǔn),模擬化之前為720´576,每秒25幀。
3.其他系統(tǒng)指標(biāo)
(1)電路板體積:長´寬´高小于40mm´40mm´20mm。
(2)電路板供電和功耗:單+5V供電,功耗小于1W。
12.1.2 芯片選型
本系統(tǒng)的主要功能是完成圖像的實(shí)時(shí)插值放大算法,同時(shí)對體積和功耗有嚴(yán)格的要求。根據(jù)上面提出的指標(biāo)進(jìn)行如下的設(shè)計(jì)分析。
1.主芯片選型分析
對于放大算法實(shí)現(xiàn),主芯片可以選擇FPGA、DSP和ARM三種方案。
基于ARM的系統(tǒng)不能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián),需要外圍器件較多,電路體積會比較大?;贒SP的系統(tǒng)雖然能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián),體積可以滿足要求,但是功耗會超標(biāo)。因此,基于FPGA的方案是最佳的選擇。
由于本系統(tǒng)要求能夠擴(kuò)展5V的數(shù)字I/O,所以FPGA要能夠兼容5V的信號輸入。因此,選擇Altera公司的ACEX1K系列FPGA器件。這個(gè)系列的芯片IO電壓是3.3V的,但是輸入支持5V電平。
2.信號輸入輸出選型分析
在視頻信號處理領(lǐng)域,把模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號的芯片稱為視頻解碼器(Video Decoder),如SAA711x系列。而把數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號的器件稱為視頻編碼器(Video Encoder)。
本系統(tǒng)中,視頻解碼器選擇了應(yīng)用廣泛的SAA7113H,視頻編碼器選擇了SAA7128H。
3.其他單元電路選型分析
另外,為了滿足圖像插值放大算法要求,需要在信號采集系統(tǒng)中采樣緩沖區(qū)。采集的信號速率越高,需要的緩沖區(qū)容量越大,以保證不丟失數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)中,采用了乒乓緩沖區(qū)的策略來完成數(shù)據(jù)的輸入輸出緩沖區(qū)管理。因此,選用了兩片SRAM類型的存儲器。相對于SDRAM器件,SRAM器件的控制方法更為簡單,功耗也相對較低,可以滿足本系統(tǒng)的要求。
電源部分選擇了電路簡單的線性電源模塊(LDO)。本系統(tǒng)屬于低功耗系統(tǒng),工作電流比較小,因此采用LDO芯片比較適合,如AS1117系列芯片。
4.電路板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)對體積有嚴(yán)格要求,如果采用標(biāo)準(zhǔn)單板設(shè)計(jì)很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求,因此,考慮層疊式的電路結(jié)構(gòu)。將整個(gè)電路分成兩塊電路板,通過連接器,層疊式安裝。這種結(jié)構(gòu)可以充分利用空間,適合這種長寬要求嚴(yán)格,但是高度方面相對寬松的系統(tǒng)。