本文給出的視頻采集和顯示模塊在設計時，選取分辨率為768×494像素的NTSC制式， 并選用輸出像素為640×480的CCD攝像頭； FPGA選取Altera CycloneⅡ系列Ep2c35F672c36 (內含35000個邏輯單元)； 主動串行配置器件為Epcs16； 可配置VGA DAC ADV7123 ( 內含3 個10 位高速DAC)及VGA輸出口， 同時支持NTSC和PAL制式的視頻解碼器ADV7181及RCA視頻輸入接口。

　　1 ADV7181的特性及其寄存器配置

　　ADV7181是一款集成的視頻解碼器， 可支持多種格式的模擬視頻信號輸入， 包括CVBS，S_VIDEO 和YPrPb 分量， 并可自動檢測NTSC、PAL 和SECAM。ADV7181 可輸出16 位或8 位與CCIR656標準兼容的YCrCb 4:2： 2視頻數據， 包括VS、HS、Blank等重要信號。由于該器件功能強大， 因此， 要正確使用這款芯片， 就必須對其內部240個寄存器進行合理配置。本系統只需設計I2C_Controller模塊和I2C_AV_config模塊對其中的40個寄存器進行參數配置即可。

　　1.1 I2C_Controller模塊設計

　　 I2C_Controller使用33個I2C時鐘周期來完成1次24位數據， 其中第1個時鐘周期用于初始化控制器， 第2~3個周期用于啟動傳輸， 第4~30個周期用于傳輸數據(其中包括24為數據和3個ACK)，最后3 個周期用于停止傳輸。在程序當中，SD_counter用于對傳輸進行計數， 并控制數據的傳輸。

　　1.2  I2C_AV_config模塊設計

　　該模塊中的每個寄存器配置需要三步。一般用mSetup_ST表示當前進行到哪一步， mI2C_GO=1表示啟動I2C傳輸， mI2C_END=1表示I2C傳輸結束， mI2C_ACK=0表示應答信號有效。圖1所示是該寄存器的配置狀態圖。

圖1 寄存器配置狀態圖

　　在圖1中， 復位信號一旦有效， 即表明對寄存器的配置進入到第一步， 此時8位從設備地址、8位寄存器地址和8位數據進行連接， 以組成24位傳輸數據； 接著啟動I2C 傳輸， 進入第二步( mSetup_ST =1) ， 此后一旦檢測到傳輸結束(mI2C_END=1)， 便對應答信號mI2C_ACK進行判斷， 如果應答有效， 則進入下一步mSetup_ST=2，否則返回到mSetup_ST=0， 重新傳輸數據。

　　2 圖像采集和Video_to_VGA模塊設計

　　由ADV7181輸出的itu_r65*:2:2格式的視頻數據流格式如圖2所示。圖中， EAV和SAV為兩個基準信號， 要想獲得有效視頻數據， 就得首先檢測到SAV。操作時， 首先要對FF0000進行檢測， 然后再根據XY提取F、H來判斷SAV基準信號。XY一般由8位數據組成， 圖3所示是其位格式表示。

圖2 itu_r65*:2:2格式視頻數據流

圖3 XY各位表示

　　2.1 ITU_R656_DECODER模塊設計

　　圖3中， XY的第七位為場信號， F為0表示第一場， F為1表示第二場； XY的第六位為場消隱信號， V為0表示數據是有效信號， V為1表示數據處于場消隱階段； XY的第五位為有效數據開始結束信號， H為0表示有效視頻數據開始信號，H為1表示有效視頻數據結束； 而P0、P1、P2、P3為保護比特。操作時首先要檢測FF 00 00， 然后提取F、V、H等信號， 最后再根據這些信號信息對視頻數據進行相應的處理。圖4所示是本圖像采集系統的總體框圖。

圖4 系統總體框圖

　　Video_to_VGA 模塊主要由ITU_R656_DECODER模塊和YCbCr2RGB模塊組成， 這里先對ITU_R656_DECODER模塊進行設計。圖5所示是ITU_R656_DECODER模塊的設計原理框圖。

　　設計時， 首先應構建串轉并模塊， 以便對有效信號中的串行YCbCr信號進行分離， 然后對亮度色差信號分別進行處理， 以同時產生field和13.5M的Ypix_clock信號； 接著對TD_HS進行倍頻以產生HSX2， 再通過三個dui_port_c1024模塊將4:2:2的視頻信號轉換為4:4:4的視頻信號。其中，在dui_port_c1024模塊中使用乒乓操作， 以實現對數據的連續處理， 讀時鐘為寫時鐘的2倍， 即寫入一行數據， 讀出后變為兩行， 這樣可實現奇行代替偶行， 從而實現去交織(由于人眼對奇行偶行數據分辨力較差， 故允許這種處理方式)，輸出的Y， Cb， Cr用于后期所要使用的10位RGB信號， 而Ypix_clock、HSX2和VSX1則用于產生VGA的時序信號。

　　2.2 YCbCr2RGB模塊設計

　　該模塊實際上用于完成一個色度空間的轉換功能， 它可將Y， Cb， Cr信號轉換為所要使用的10位RGB信號。其轉換關系如下：

　　R=1.164 (Y-16) +1.596 (Cr-128)

　　G =1.164 ( Y -16) -0.813 ( Cr -128) -0.392(Cb-128)

　　B=1.164 (Y-16) +2.017 (Cb-128)

　　這樣， 就可用3個MAC_3模塊分別完成對R、G、B信號的轉換， 圖6所示是其轉換原理框圖。

　圖5 ITU_R656_DECODER模塊原理框圖

圖6 YCbCr2RGB模塊轉換原理框圖

　　3 參數設置

　　本系統采用640×480 像素顯示， 刷新率為60Hz模式， 像素時鐘為25MHz。在VGA水平時序中， 每行包括800像素點， 其中640為有效顯示脈沖， 160為行消隱區； 而在VGA垂直時序中， 每場525行， 其中480有效， 45行為場消隱。其具體參數如下：

　　4 結束語

　　本文介紹的圖像采集和顯示模塊設計簡單，成本較低。由于其用高效硬件描述語言構成， 故其處理效率高， 具有很好的實用特性。