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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(duì)原始的數(shù)字圖像進(jìn)行特征提取(如邊緣檢測(cè)、邊緣銳化)、噪聲平滑濾波、幾何校正、尺寸縮放等處理，這類(lèi)圖像處理技術(shù)稱(chēng)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(guò)FPGA來(lái)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(duì)光學(xué)或者紅外攝像機(jī)器輸出的視頻信號(hào)（模擬）進(jìn)行數(shù)字倍焦處理。這樣可以實(shí)現(xiàn)焦距拉長(zhǎng)一倍的光學(xué)效果，然后仍然以原有的信號(hào)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(hào)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(hào)指標(biāo)
（1）視頻輸出制式：PAL或者NTSC可選，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)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(zhǎng)´寬´高小于40mm´40mm´20mm。
（2）電路板供電和功耗：?jiǎn)危?V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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)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(hào)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(hào)輸入輸出選型分析
在視頻信號(hào)處理領(lǐng)域，把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)的芯片稱(chēng)為視頻解碼器（Video Decoder），如SAA711x系列。而把數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)的器件稱(chēng)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(hào)采集系統(tǒng)中采樣緩沖區(qū)。采集的信號(hào)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(lái)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(lèi)型的存儲(chǔ)器。相對(duì)于SDRAM器件，SRAM器件的控制方法更為簡(jiǎn)單，功耗也相對(duì)較低，可以滿足本系統(tǒng)的要求。
電源部分選擇了電路簡(jiǎn)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(duì)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(guò)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(zhǎng)寬要求嚴(yán)格，但是高度方面相對(duì)寬松的系統(tǒng)。
