基于FPGA的分布式視頻處理平臺設(shè)計方案

概述

目前人們對于高清視頻的需求日益普遍，極致的視覺體驗帶來的是技術(shù)上的革新，高清視頻數(shù)據(jù)帶寬在HD視頻的基礎(chǔ)上不斷增長，以單路4Kx2K分辨率，30Hz刷新率超高清視頻而言為例，單幀無壓縮視頻數(shù)據(jù)量約為3840x2160x24≈189.84Mbits，每秒需完成緩存的數(shù)據(jù)量約為189.84x30≈5.56Gbits，如何傳輸及實時處理大量的高清視頻數(shù)據(jù)成為當(dāng)前的一大技術(shù)需求。

對此，本作品設(shè)計了一種基于FPGA的分布式視頻處理平臺，能夠?qū)⒏咔逡曨l流通過PCIE接口以及SFP光傳輸接口進行從上位機到分布式視頻處理平臺以及分布式視頻處理平臺之間的高速傳輸。同時，本作品采用FPGA并行處理視頻流，具有低時延，高算法拓展能力的特點，可以實現(xiàn)高帶寬高清視頻流的實時處理。

本項目平臺設(shè)計了PCIE 2.0*8接口、2路SFP/SFP+高速光傳輸接口以及4路HDMI輸出接口，針對高清視頻數(shù)據(jù)，兼具遠距離高速傳輸、實時處理以及本地同步顯示的能力，最多能傳輸處理10路以上的1080p高清視頻流。同時本項目平臺具有高達4GB容量的高速圖像緩存，以支持多路高清視頻流的緩存與算法處理。在FPGA基礎(chǔ)上，本項目平臺具有的雙核ARM Cortex-A9以及1GB容量的程序執(zhí)行緩存，可以支持更高層算法的實現(xiàn)。

主要創(chuàng)新點

1.提出了一個針對高分辨率的視頻流的高速傳輸與實時處理方案，包含了驅(qū)動卡與接收卡兩個部分。

本作品平臺為基于FPGA的分布式視頻處理平臺，面向高分辨率的視頻流實現(xiàn)高帶寬視頻數(shù)據(jù)的高速傳輸與實時處理，平臺系統(tǒng)完備，包含了視頻驅(qū)動卡與接收卡兩個部分。

2.軟硬件全部自主設(shè)計開發(fā),系統(tǒng)完善

本作品硬件軟件自主設(shè)計開發(fā)。硬件部分包括43頁原理圖和12層高速PCB設(shè)計。軟件部分包括發(fā)送高清視頻流數(shù)據(jù)的上位機軟件模塊、本地視頻數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的視頻處理平臺模塊、分布式視頻數(shù)據(jù)接收顯示的視頻處理平臺模塊，包含PCIE數(shù)據(jù)接收模塊、SFP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、視頻分割算法、DDR3高速緩存讀寫控制、視頻數(shù)據(jù)輸出模塊、視頻處理芯片配置模塊等，有很強的原創(chuàng)性和先進性。

3.采用Xilinx Zynq-7000 SoC系列Zynq7045芯片，包含350K可編程邏輯資源以及Cortex-A9的雙核ARM，F(xiàn)PGA與ARM通信接口采用AXI總線協(xié)議，穩(wěn)定性好。

本設(shè)計采用的SoC芯片資源豐富，結(jié)合了FPGA與ARM的優(yōu)點，從硬件設(shè)計層面提高了算法開發(fā)容量和算法處理效率，保障了高清視頻數(shù)據(jù)處理的實時性，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有視頻處理速度快、延時低、擴展性好等優(yōu)勢。

4.針對視頻處理與程序執(zhí)行部分分別設(shè)計了4GB與1GB的高速緩存，提升系統(tǒng)性能。

本系統(tǒng)FPGA部分采用多片DDR3高速存儲顆粒應(yīng)對大量的視頻數(shù)據(jù)，能夠保證視頻傳輸處理的實時性和高效性。同時ARM部分也配備了多片DDR3高速存儲顆粒，保障程序執(zhí)行，為后續(xù)算法拓展提供支持。

5.通過PCIE*8接口從上位機獲取高清視頻數(shù)據(jù)，最高數(shù)據(jù)速率理論可達32Gbps

本作品可通過一路PCI Express8-lane接口，從上位機讀取4k高清視頻流數(shù)據(jù)，串行傳輸速率理論最高能達到32Gbps，最高支持2路4k@60Hz視頻數(shù)據(jù)的吞吐。

6.通過2路SFP/SFP+光傳輸接口進行分布式視頻處理平臺間的高清視頻數(shù)據(jù)傳輸，最高數(shù)據(jù)速率理論可達10Gbps/路

本作品可通過兩路SFP/SFP+光傳輸接口，收發(fā)高清視頻流數(shù)據(jù)，兩路光傳輸接口可通過主從模式同時工作，最高支持20Gbps的數(shù)據(jù)吞吐。

7.每一塊分布式視頻處理平臺系統(tǒng)同時具備4路2K視頻的HDMI輸出接口，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進行本地分割顯示

本作品搭載4片視頻處理芯片ADV7511，可支持1920*1080@60Hz的高清視頻輸出，因此每一塊視頻處理平臺都擁有一路4k視頻數(shù)據(jù)的分割輸出功能，支持高速轉(zhuǎn)發(fā)的同時，本地顯示視頻數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)架構(gòu)

1.系統(tǒng)方案

隨著視頻技術(shù)的不斷革新，為了解決超高分辨率，例如2K、4K、8K、16K甚至更高分辨率的視頻傳輸處理需求，需要硬件上能支持高清視頻輸入輸出，高速大容量數(shù)據(jù)實時處理，軟件層面上具備多種算法處理能力，各種數(shù)據(jù)通信交互，且系統(tǒng)要能支持性能拓展，以便使系統(tǒng)兼容處理更大范圍的任務(wù)強度。

分布式視頻處理平臺系統(tǒng)主要分為三部分：發(fā)送高清視頻流數(shù)據(jù)的上位機、2塊及以上的基于FPGA的分布式視頻處理平臺、作為一組完整4K視頻顯示的4塊2K顯示屏。該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。本作品為基于FPGA的分布式視頻處理平臺。主要實現(xiàn)視頻信號發(fā)生輸出以及視頻信號接收這兩個工作模式。

圖2-1分布式視頻處理平臺系統(tǒng)

2.硬件方案

本基于FPGA的分布式視頻處理平臺需要將高清視頻流通過PCIE接口以及SFP光傳輸接口進行從上位機到分布式視頻處理平臺以及分布式視頻處理平臺之間的高速傳輸。同時需要4路HDMI輸出接口，在高速傳輸高清視頻流的同時，通過FPGA超低時延的并行處理能力，能同步進行高清視頻的分布式拼接顯示。為支持以上要求，本作品搭載了Xilinx公司的Zynq-7000 SoC系列Zynq7045芯片作為核心處理器進行視頻數(shù)據(jù)的傳輸及實時處理。

為完成對視頻處理過程的控制，本系統(tǒng)需要利用芯片自帶的雙核Cortex-A9作為系統(tǒng)控制部分,對視頻處理芯片進行寄存器配置，同時掛載大容量SDRAM，實現(xiàn)對大量系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)的存儲。

本作品需要滿足大量視頻數(shù)據(jù)的高速緩存要求。以最高單路4Kx2K分辨率，30Hz刷新率超高清視頻而言為例，單幀無壓縮視頻數(shù)據(jù)量約為3840x2160x24≈189.84Mbits，每秒需完成緩存的數(shù)據(jù)量約為189.84x30≈5.56Gbits。本系統(tǒng)可支持PCIE 32Gbps帶寬以內(nèi)的超高清視頻輸入，則需要外接大容量高速存儲設(shè)備，實現(xiàn)對多路視頻數(shù)據(jù)的緩存。

因此，本系統(tǒng)采用4片共32Gbits高速DDR3存儲顆粒，可滿足實時處理視頻流數(shù)據(jù)時對緩存空間的需求。本系統(tǒng)中FPGA核心處理器與存儲芯片接口數(shù)據(jù)位寬共64bits，單根數(shù)據(jù)線傳輸速率可達1866Mbps，可滿足對多路超高清視頻流數(shù)據(jù)的高速緩存需求。

根據(jù)以上的分析，制定出的本作品硬件設(shè)計方案如下：

視頻實時處理方案：XilinxZynq-7000 SoC系列Zynq7045芯片的FPGA部分作為視頻核心處理器

視頻接收方案:一路PCI Express 8-lane接口

視頻發(fā)送方案:兩路SFP/SFP+光傳輸接口

視頻輸出方案：四路ADV7511視頻處理器，4個HDMI1.4視頻輸出接口

視頻流緩存方案：32GBitsDDR3存儲顆粒高速緩存

視頻控制方案：Zynq7045芯片的ARM部分,雙核Cortex-A9，2片128MB QSPI Flash和8Gbits SDRAM

系統(tǒng)接口設(shè)計方案：USB2.0接口、UART、1000M以太網(wǎng)口

圖2-2平臺結(jié)構(gòu)框圖

本作品實際結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。

圖2-3平臺實際結(jié)構(gòu)圖

3.軟件方案

基于FPGA的分布式視頻處理平臺的軟件整體設(shè)計如圖2-4所示，其中主要包括三個模塊：發(fā)送高清視頻流數(shù)據(jù)的上位機軟件模塊、本地視頻數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的視頻處理平臺模塊、分布式視頻數(shù)據(jù)接收顯示的視頻處理平臺模塊。

圖2-4系統(tǒng)軟件整體框架圖

其中上位機PCIE驅(qū)動部分，實現(xiàn)了指定路徑下的視頻流數(shù)據(jù)文件的讀取與發(fā)送，根據(jù)用戶給定的中斷參數(shù)，實現(xiàn)上位機吞吐速率的控制以及數(shù)據(jù)發(fā)送操作的開關(guān)選擇。

本地視頻數(shù)據(jù)接收與轉(zhuǎn)發(fā)的視頻處理平臺的軟件設(shè)計較為復(fù)雜，分為PCIE數(shù)據(jù)接收模塊、SFP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊、視頻重組分割算法、DDR3高速緩存讀寫控制、視頻數(shù)據(jù)輸出模塊、視頻處理芯片寄存器配置等部分。

分布式視頻數(shù)據(jù)接收顯示的視頻處理平臺模塊，分為SFP數(shù)據(jù)接收模塊，視頻重組算法、DDR3高速緩存讀寫控制、視頻輸出模塊、視頻處理芯片寄存器配置等部分。

設(shè)計演示

1.基于FPGA的分布式視頻處理平臺單板性能測試

以下給出電源、時鐘及復(fù)位信號和DDR3等幾方面測試過程及結(jié)果。

1.1電源測試

電源的穩(wěn)定運行是電路系統(tǒng)正常工作的前提條件，因此，在對電路系統(tǒng)各部分進行測試前，需要先對系統(tǒng)電源部分測試，確保電源電壓、紋波等參數(shù)能夠滿足要求。本系統(tǒng)的電源使用了TI公司的TPS53355、TPS62130和TPS51200。

對TPS53355電源評估電路進行測試，可得到如表5-1所示的測量結(jié)果。

通過對電源輸出電壓進行分析，可見在較低負載和較高負載下都能夠滿足FPGA核心處理器0.97V至1.03V的電壓范圍要求。通過示波器可以測得在不同負載情況下的紋波，其中負載電流為9.699A時的紋波測試結(jié)果如圖5-1所示。

圖5-1 TPS53355負載電流為9.699A時的紋波

此時，可觀測到電源的開關(guān)頻率約為500KHz，電源紋波幅度的最小值為8.0mV，最大值為11.5mV，滿足電路系統(tǒng)設(shè)計要求。

通過對實際電路中1.0V電源進行測試，紋波如圖5-2所示，同樣滿足設(shè)計要求。

圖5-2 TPS53355在系統(tǒng)工作時的紋波波形

分別對本系統(tǒng)中其他部分電源電路進行測量，其中FPGA核心處理器及DDR3存儲顆粒部分各電源輸出電壓及紋波如表5-2所示，都能夠滿足設(shè)計要求。

1.2時鐘及復(fù)位信號測試

系統(tǒng)的復(fù)位信號是測試部分首先考慮的對象。在本系統(tǒng)中，我們對于ZYNQ中ARM部分的復(fù)位芯片MAX16025輸出的全局復(fù)位信號進行測試。如圖5-3所示，當(dāng)按鍵被按下時，全局復(fù)位信號被置為低電平，且低電平保持203.0ms；當(dāng)按鍵被松開時，全局復(fù)位信號恢復(fù)成高電平。



圖5-3系統(tǒng)全局復(fù)位信號測試 其次測試系統(tǒng)的時鐘信號。在整個系統(tǒng)中，以下三個時鐘較為關(guān)鍵。

ZYNQ處理器FPGA部分200MHz差分時鐘（邏輯觸發(fā)時鐘）；

ZYNQ處理器GTX部分SFP光傳輸接口IP核的156.25MHz差分時鐘；

ZYNQ 處理器 ARM 部分 33.33333MHz 單端時鐘。

其中，差分時鐘需要利用差分探頭進行測試。 在測試時鐘時，示波器的采樣率被設(shè)置為1GHz，上述三個時鐘的時鐘波形如圖5-4所示。



圖5-4系統(tǒng)時鐘信號測試 三個關(guān)鍵時鐘信號測量所得參數(shù)如表5-3所示。



由上表可見，相對于33.33333MHz的單端時鐘，200MHz和156.25MHz的差分時鐘利用了抑制相互串?dāng)_的性質(zhì)，時間精度較高，并且在信號的上過沖、下過沖和周期抖動指標(biāo)上具有優(yōu)勢。

1.3DDR3眼圖測試

這部分介紹系統(tǒng)ZYNQ中的FPGA部分連接的DDR3的信號完整性測試過程與結(jié)果。DDR3速率為1600Mbps，通過編寫測試程序的方式來實現(xiàn)持續(xù)對DDR3進行讀寫，以進行測試。示波器測試800MHz差分時鐘眼圖，如圖5-5所示



圖5-5DDR3差分時鐘眼圖測試

由圖5-5可知示波器讀出該信號眼高為1.1366V，眼寬為578ps，眼交叉比為50.37%，差分時鐘設(shè)計指標(biāo)通過了LeCroy示波器的QualiPHY對于1600Mbps的DDR3的標(biāo)準(zhǔn)測試，因此眼圖各指標(biāo)符合設(shè)計要求。

進一步利用示波器觀察DDR3時序：DQS信號如圖5-6所示：當(dāng)DDR3進入讀狀態(tài)時，DQS前導(dǎo)碼先產(chǎn)生負脈沖。相反，當(dāng)DDR3進入寫狀態(tài)時，DQS前導(dǎo)碼先產(chǎn)生正脈沖。



圖5-6DDR3 DQS信號測試

示波器自帶的QualiPHY功能能夠?qū)DR3各項性能進行測試，測試完成后將會生成一份測試報告，如圖5-7所示。在測試報告中將詳細列出各項參數(shù)的測量值和理論值，并對是否達標(biāo)進行分析。



圖5-7差分時鐘線測試報告

1.4ADV7511視頻處理器驗證

為驗證ADV7511視頻處理器芯片部分的電路設(shè)計，編寫測試代碼以完成驗證。在進行該部分的測試過程中，我們基于ZYNQARM部分編寫IIC配置接口，配置ADV7511寄存器，使能芯片，同時，F(xiàn)PGA部分按照時序要求編寫測試圖像，并輸出到ADV7511，最終板級輸出效果如圖5-8所示。



圖5-8ADV7511測試圖像圖

由上圖可知，ADV7511寄存器配置正確，芯片正常使能，F(xiàn)PGA時序發(fā)生正確，能夠正常顯示圖像。

1.5 PCIE系統(tǒng)接口驗證

圖5-9上位機數(shù)據(jù)發(fā)送窗口為驗證PCIE系統(tǒng)接口的功能，我們通過上位機向系統(tǒng)的PCIE接口發(fā)送數(shù)據(jù)文件，如圖5-9所示。



通過Vivado的ILA工具采得數(shù)據(jù)傳輸波形，如圖5-10所示。從圖5-10的波形中，對比上位機發(fā)送的文件數(shù)據(jù)，可知PCIE讀取的數(shù)據(jù)文件正確無誤。



圖5-10系統(tǒng)PCIE接口數(shù)據(jù)文件抓取波形圖

2.系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

整體系統(tǒng)聯(lián)調(diào)效果圖如圖5-11所示：



圖5-11系統(tǒng)整體效果圖

通過以上的效果可以看出，本作品可以實現(xiàn)本地視頻處理平臺PCIE接口從上位機接收超高清4K視頻流的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過SFP/SFP+高速光傳輸接口高速傳送至分布式視頻處理平臺，同時本地與分布式視頻處理平臺兼有4K視頻分割顯示的實時處理能力。


審核編輯：劉清