摘 要： 在描述了多媒體窗口控制器的基礎(chǔ)上,，介紹了用FPGA實(shí)現(xiàn)的電子內(nèi)窺鏡中窗口控制器的設(shè)計(jì)原理及電路,。該方法可靈活改變?cè)O(shè)置，廣泛用于多媒體硬件電路的設(shè)計(jì)之中。
關(guān)鍵詞： 數(shù)字視頻 多媒體 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) 窗口控制器 電力內(nèi)窺鏡控制
在多媒體技術(shù)中,，數(shù)字視頻處理器的核心部件是視頻窗口控制器。由它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻信號(hào)的采集,、存儲(chǔ)及顯示模式的管理,，并且可與計(jì)算機(jī)接口相聯(lián)接，可以由計(jì)算機(jī)靈活設(shè)置其采集方式,、存儲(chǔ)方式,、顯示模式等實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的顯示，與計(jì)算機(jī)文本及圖形的疊加等,。
本文設(shè)計(jì)的窗口控制器是在深入剖析了當(dāng)前較高性能的窗口控制器性能的基礎(chǔ)上,，采用FPGA硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子內(nèi)窺鏡中的窗口控制器設(shè)計(jì)原理及電路。采用該項(xiàng)技術(shù),，可以大大克服原來(lái)硬件規(guī)模大,、調(diào)試復(fù)雜的缺點(diǎn)，而獲得了實(shí)現(xiàn)周期短,、更改設(shè)計(jì)靈活,、調(diào)試方便、可靠性高的特點(diǎn),。該項(xiàng)技術(shù)也可以移植到其它多媒體領(lǐng)域,。為了更清楚說(shuō)明其工作原理，本文首先介紹硬件實(shí)現(xiàn)視頻窗口控制器的工作原理,，其次介紹電子內(nèi)窺鏡中的窗口控制器原理及電路,。
1 窗口控制器原理
在現(xiàn)代多媒體設(shè)計(jì)中,，計(jì)算機(jī)圖像及文本信號(hào)都是以數(shù)字信號(hào)的方式傳送及處理的，因此數(shù)字視頻信號(hào)處理電路占有十分重要的位置,。當(dāng)前較流行的多媒體卡中的視頻處理的典型產(chǎn)品是82C9001A(PC視窗控制器)[1]其工作原理簡(jiǎn)要介紹如下,。
采用視頻窗口控制器的PC視頻系統(tǒng)由視頻數(shù)字量化、視頻存儲(chǔ)器,、視頻D/A轉(zhuǎn)換,、模擬混合電路及PC視頻窗口控制器構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。從框圖中可以清楚看出,，窗口控制器是PC視頻系統(tǒng)的核心部分。它是由82C9001A大規(guī)模集成電路單片實(shí)現(xiàn)的,。該系統(tǒng)工作時(shí),，是以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線接口向窗口控制器中設(shè)置其工作方式，如開機(jī)不重新設(shè)置,，則以以前設(shè)置狀態(tài)運(yùn)行,。視頻源信號(hào)是NTSC，PAL及SECAM等多種形式中的一種,，彩色電視信號(hào)輸入,，經(jīng)視頻量化器量化后進(jìn)入窗口控制器，窗口控制器將數(shù)字視頻信號(hào)以4:1:1和4:2:2及16bits RGB數(shù)字模式存儲(chǔ),，也可以2:1:1 YUV模式存儲(chǔ),。輸入信號(hào)可以是隔行或是逐行的視頻信號(hào)，輸出信號(hào)也可以是隔行或是逐行的模式,。輸出信號(hào)可以2,、4和8倍放大。
計(jì)算機(jī)顯示卡上的VGA的特征接頭和窗口控制器相連,，提供VGA的特征信號(hào)(包括垂直同步,、水平同步的時(shí)鐘及數(shù)據(jù)等)。計(jì)算機(jī)顯示接頭和模擬混合器連接,，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)與計(jì)算機(jī)信號(hào)的疊加,。窗口控制器的工作是由窗口控制器內(nèi)的50個(gè)控制寄存器的內(nèi)容，提供這些寄存器的主要三大類任務(wù)：計(jì)算機(jī)接口控制,，視頻捕獲控制,，顯示窗控制等。
窗口控制器捕獲的數(shù)字信號(hào)經(jīng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)后讀出,，該組存儲(chǔ)器采用VRAM(雙端口視頻存儲(chǔ)器)可以同時(shí)在兩個(gè)口上分別做讀寫操作,，互不影響。存儲(chǔ)器讀出的信號(hào)經(jīng)D/A電路轉(zhuǎn)換后輸入給模擬混合電路和計(jì)算機(jī)VGA信號(hào)疊加。
2 電子內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)
我們?cè)谡J(rèn)真研究了PC視頻系統(tǒng)的原理和功能后,，采用FPGA實(shí)現(xiàn)了電子內(nèi)窺鏡的控制系統(tǒng),，其基本性能與PC視頻系統(tǒng)有相似之處，現(xiàn)介紹如下,。
2.1 電子內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)原理
電子內(nèi)窺鏡控制系統(tǒng)如圖2所示,。
該系統(tǒng)由面陣CCD光電傳感器、A/D轉(zhuǎn)換,、FIFO(先進(jìn)先出緩存),、VRAM(視頻雙端口存儲(chǔ)器)存儲(chǔ)器組、視頻D/A轉(zhuǎn)換,、彩色編碼,、時(shí)鐘及窗口控制器組成。
該系統(tǒng)工作原理如下：CCD輸出信號(hào)經(jīng)A/D量化為數(shù)字信號(hào)后,，經(jīng)FIFO(先入先出緩存)緩存,，輸入到窗口控制器中，窗口控制器根據(jù)輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后,，依次存儲(chǔ)到VRAM組成的R,、G、B三頁(yè)存儲(chǔ)器中,。存儲(chǔ)器中的視頻信號(hào)同時(shí)輸出經(jīng)三路D/A轉(zhuǎn)換后,，經(jīng)編碼器實(shí)現(xiàn)PAL制彩色視頻信號(hào)。
系統(tǒng)時(shí)鐘部分提供給系統(tǒng)形成PAL制信號(hào)所需的點(diǎn)象素時(shí)鐘,、所有同步信號(hào)(包括垂直同步、水平同步,、提供給彩色編碼電路的色同步信號(hào)及消隱信號(hào)),，以及提供給FPGA穩(wěn)定可靠的全局時(shí)鐘。
窗口控制器主要實(shí)現(xiàn)以下功能：顯示窗口形狀控制,、顯示窗口活動(dòng)/凍結(jié)轉(zhuǎn)換,，VRAM寫入、讀出,、刷新控制信號(hào)發(fā)生,，提供A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換時(shí)鐘,，提供CCD正常工作的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘及實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信等,。窗口控制器所有的功能都是由FPGA實(shí)現(xiàn)的。
2.2 窗口控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)
窗口控制器是由FPGA實(shí)現(xiàn)的,，而且在FPGA內(nèi)部是以模塊化設(shè)計(jì)的,，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。
外部輸入給FPGA的主要有主時(shí)鐘、行同步信號(hào),、場(chǎng)同步信號(hào),、大小畫面切換、系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)等,。主時(shí)鐘和行,、場(chǎng)同步信號(hào)由外部時(shí)鐘發(fā)生電路經(jīng)鎖相產(chǎn)生的，大小畫面切換和系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)是由外部開關(guān)給定,。FPGA內(nèi)部為主控信號(hào)發(fā)生,、接口、VRAM信號(hào)切換,、VRAM地址發(fā)生,、FIFO信號(hào)切換及VRAM開機(jī)復(fù)位電路等幾個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊完成自己的一部分功能,。
主控信號(hào)發(fā)生產(chǎn)生所有的控制信號(hào),，包括CCD驅(qū)動(dòng)、A/D及D/A時(shí)鐘,、VRAM控制信號(hào),、FIFO控制信號(hào)及計(jì)算機(jī)接口信號(hào)。
由于VRAM開機(jī)后存儲(chǔ)單元的內(nèi)容不定,，因此在開機(jī)之后先給VRAM存儲(chǔ)器復(fù)位,，即開機(jī)后VRAM全清零。
由于VRAM存儲(chǔ)器是由三組存儲(chǔ)器組成的,，分別用于存儲(chǔ)紅,、綠、藍(lán)三種分時(shí)得到的圖像分量,，因此VRAM控制信號(hào)必須經(jīng)過(guò)切換分時(shí)輸入不同的存儲(chǔ)器,。
系統(tǒng)采用了大小兩個(gè)FIFO，因此FIFO控制信號(hào)也經(jīng)過(guò)切換,。
接口部分完成與計(jì)算機(jī)的輸入,、輸出通信，接收計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求信號(hào),，給出應(yīng)答信號(hào),。
圖4是主控信號(hào)發(fā)生的FPGA模塊圖。
目前系統(tǒng)已能正常工作,，圖5和圖6是從邏輯分析儀截取的最終調(diào)試結(jié)果,。圖5是CCD驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)。在控制VRAM時(shí),，為了檢測(cè)VRAM控制是否正確,，在FPGA內(nèi)部做的彩條測(cè)試信號(hào),，圖6是彩條的波形輸出。
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我們的窗口控制器是在分析當(dāng)前較流行的多媒體卡中的視頻處理的典型產(chǎn)品82C9001A(PC視窗控制器)其工作原理的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)并用FPGA實(shí)現(xiàn)的,。先進(jìn)的FPGA技術(shù)的使用一方面大大縮短了調(diào)試的周期，提高了系統(tǒng)的可靠性,；另一方面由于其包含大量的門電路使系統(tǒng)控制板集成度高,，體積小。由于FPGA器件的使用,，系統(tǒng)具有極強(qiáng)的靈活性,、適應(yīng)性和通用性，并可在不更改硬件電路的基礎(chǔ)上,，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有功能的修改和擴(kuò)充,。
參考文獻(xiàn)
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2 TEXAS Instruments.Data Book of Area Array Image Sensor Products.1994
3 劉寶琴,張芳蘭,田立生.ALTERA可編程邏輯器件及其應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，1995