实时视频数据采集的FPGA实现 视频监控, 计算机网络, 数据采集, 黄金ETF, 关键词

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摘  要： 介绍一种在工矿监视系统中采用FPGA实现视频数据实时采集和显示的设计方案。系统中采用FPGA和视频解码器实现了高速连续的视频数据采集与处理。处理后的视频信号通过VGA格式转换，可以在现场VGA显示器上观看，也可以通过键控将数据存储在存储介质中，从而实现了实时视频监视。
关键词： 实时数据采集；视频监视；数据格式；可编程逻辑阵列

    视频监控系统利用现存的企业计算机网络平台，将监控范围内所需的视频、音频等数据以数字形式通过网络进行传输、存储和共享，使安全监控部门及时获得关于监控现场实时、准确、具体、直观的数据，为安全生产提供一种新的技术手段。FPGA以其高性能、高可靠性以及现场修改、现场验证、现场实现的数字系统单片化的应用优势而日益成为视频信号处理领域的热门技术。特别是其高速并行处理能力，使其在处理速度、成本、可靠性、开发周期和扩展能力等方面具有明显的优势。
    本文设计一种用于工矿监控系统的实时视频数据采集系统，系统中由CCD摄像头采集到模拟视频信号，通过视频解码芯片转换为PAL制式的数字视频信号，采用FPGA对其进行格式转换，在现场使用VGA显示器进行视频监视，在按键的控制下可以存储于硬盘等存储介质中或传输至网络中。本设计以高性能的 FPGA为核心部件，与视频解码芯片、SRAM等外围器件构成整个视频数据处理系统，集采集、存储、显示功能于一体，其系统总体框图如图1所示。设计中的 FPGA器件采用Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8N芯片；视频解码芯片选用Philips公司的SAA7113H作为视频数据的模数转换器件；SRAM采用高速、低功耗8 Mbit的IS61LV51216作为图像数据缓存器。

1 实时视频监视系统的结构
     一个完整的成像系统不但要具备图像信号采集功能，对图像进行实时显示[1]，而且要完成图像信号的分析、处理（如图像压缩等）以及图像处理结果的反馈等。基于FPGA的实时视频监视系统的结构如图2所示，主要包括IIC配置单元、数据采集及控制单元、VGA接口单元和压缩存储单元等。

2 视频信号采集和显示部分的实现
       SAA7113H输出PAL制式的ITU656标准YUV(4:2:2)格式数据[2]，其中Y表示亮度信号，而UV表示色差信号，并且输出像素时钟为27 MHz。信号扫描方式为隔行扫描，帧率为25帧/秒，每帧图像分为奇偶两场，每帧像素为864×625，其中有效数据为720×576。SAA7113H 输出的一行视频数据格式如图3所示，每行有1 728 B，其中有效数据1 440 B，对应720个有效像素，可以看成每一个像素由2个连续的字节表示，每个像素有自己的亮度数据Y，每两个相邻像素共用一组色差数据U和V。

      由于系统要求在VGA显示器上采用逐场逐行方式显示RGB格式的数据，并且要求所采集图像的大小为640×480，因此，必须对SAA7113H所采集到的原始数字视频信号进行格式转换和存储方式的处理。
2.1 IIC配置单元
      视频解码芯片SAA7113H接收CCD摄像头输出的模拟视频信号，将其转换成标准的VPO数字信号。SAA7113H上电后，必须由核心控制芯片FPGA通过IIC总线对其内部的寄存器进行初始化设置，然后才能正常工作。IIC配置单元的任务就是按照IIC总线的数据传输规范对 SAA7113H内部的寄存器进行初始化设置，其时钟信号由SAA7113H提供的27 MHz的像素时钟经过时钟控制单元分频得到，数据速率在100 kb/s～400 kb/s。
      IIC配置单元的内部结构如图4所示，由IIC控制单元iic_all、配置数据存储器iic_rom和读地址发生器div448构成。IIC控制单元iic_all是核心控制单元，采用状态机设计，在start信号有效后使SCL高电平时拉低SDA数据线，同时控制地址发生器div448产生读地址信号送入配置数据存储器iic_rom； iic_rom采用可设置参数模块LPM_ROM，定制为数据宽度为1的只读ROM，每个存储单元按位预存SAA7113H内部寄存器的控制字；在时钟使能端clken有效时按位串行写入SDA数据线。IIC控制单元在start信号有效后的第8个时钟上升沿获取到SAA7113H的低电平应答信号后继续发送数据给SAA7113H，否则将重新回到起始状态等待。
       SAA7113H完成初始化配置后，输出数字视频信号VPO[7..0]和相应的同步信号：行有效信号RTS0、奇偶场标识信号RTS1等。其中RTS0高电平表示有效数据行，低电平表示消隐行；RTS1为奇偶场标识信号，高电平表示奇场，低电平表示偶场。