用FPGA和單片機(jī)設(shè)計(jì)黑白四畫(huà)面分割器

【摘　要】　介紹了用FPGAXCS10XL和單片機(jī)MSU2964設(shè)計(jì)黑白四畫(huà)面分割器的方法。
???? 關(guān)鍵詞:黑白四畫(huà)面分割器,現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列,I2C總線存儲(chǔ)器

　　近年來(lái)，隨著視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為其組成之一的多畫(huà)面分割器的應(yīng)用也愈來(lái)愈普遍。使用一臺(tái)四畫(huà)面分割器，在一臺(tái)監(jiān)視器上可同時(shí)監(jiān)控四個(gè)目標(biāo)，且只需使用一臺(tái)錄像機(jī)便可對(duì)四路視頻信號(hào)同時(shí)錄像。目前，多畫(huà)面分割器有黑白／彩色四、九、十六畫(huà)面分割器共六種類型。一般說(shuō)來(lái)，多畫(huà)面分割器除了畫(huà)面分割功能外，還有視頻信號(hào)切換功能及報(bào)警輸入功能：視頻信號(hào)切換功能是指多畫(huà)面分割器有一路視頻輸出是輸入視頻信號(hào)的順序切換，且切換時(shí)間可調(diào)；報(bào)警輸入功能是指當(dāng)某監(jiān)控目標(biāo)有異常發(fā)生時(shí)，畫(huà)面分割器能報(bào)警，且畫(huà)面上相應(yīng)地疊加有報(bào)警信息，或?qū)?bào)警信息存儲(chǔ)起來(lái)以便日后查閱。
　　設(shè)計(jì)多畫(huà)面分割器若使用專用的DSP芯片，可滿足對(duì)速度的要求，但開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品的調(diào)試修改及升級(jí)比較困難，且成本較高。而FPGA器件具有集成度高、體積小、功耗低、設(shè)計(jì)靈活及價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)，因而目前多畫(huà)面分割器的設(shè)計(jì)基本上采用FPGA作為其中的視頻信號(hào)處理器件。由于FPGA的功能由其內(nèi)部的編程數(shù)據(jù)來(lái)確定，而編程數(shù)據(jù)的裝載幾乎都是上電后由單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此多畫(huà)面分割器必須要有單片機(jī)。由此可見(jiàn)，多畫(huà)面分割器是一個(gè)以FPGA器件和單片機(jī)為核心，外加A／D、D／A、幀存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和字符疊加等輔助芯片組成的一個(gè)系統(tǒng)。黑白四畫(huà)面分割器的組成方框圖如圖1所示。下面具體介紹黑白四畫(huà)面分割器的設(shè)計(jì)方法。

1　各部分電路的結(jié)構(gòu)及工作原理
1．1　輸入緩沖及A／D轉(zhuǎn)換
　　該部分電路的主要功能是將輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)供FPGA器件處理，其方框圖如圖2所示。四路視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)由FPGA控制的模擬多路選擇器后，輸出二路視頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)緩沖放大后再送到由FPGA控制的模擬開(kāi)關(guān)，然后輸出給A／D，兩路視頻信號(hào)需要兩片A／D芯片。A／D芯片選TLC5510，該芯片是一分辨率為8位、20MSPS（20兆采樣點(diǎn)／秒）的COMS模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，在FPGA的控制下，TLC5510將輸入的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，然后送往幀存儲(chǔ)器。
1．2　幀存儲(chǔ)器
　　幀存儲(chǔ)器選AVERLOGIC公司的AL422，共需兩片AL422。AL422是一存儲(chǔ)量為384K×8 bits的FIFO（First In First Out）DRAM，它支持VGA、CCIR、NTSC、PAL和HDTV分辨率，具有獨(dú)立的讀／寫(xiě)操作及輸出使能控制；存取時(shí)間為15ns的高 速異步串行存取，可在5V或3．3V電源電壓下工作，標(biāo)準(zhǔn)的28腳SOP封裝。
1．3　FPGA器件
　　FPGA是本設(shè)計(jì)的核心，F(xiàn)PGA與傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列相比具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1 RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，由D觸發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)其它邏輯或驅(qū)動(dòng)I／O。這些模塊通過(guò)金屬連線互相連接或連接到I／O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的值決定了FPGA實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA的這種結(jié)構(gòu)允許無(wú)限次地重新編程。由此可見(jiàn)，用FPGA設(shè)計(jì)的產(chǎn)品調(diào)試修改及升級(jí)均很容易，且具有很大的靈活性。FPGA的種類很多，在本設(shè)計(jì)中選用Spartan系列的XCS10XL，該芯片是Xilinx公司推出的低價(jià)格、高性能的FPGA，其主要特點(diǎn)為：
　?。?）系統(tǒng)門(mén)的數(shù)目達(dá)到了10000，Logic cell數(shù)目達(dá)到了466，系統(tǒng)資源豐富。
　?。?）具備片上可編程分布式RAM，最多可編程的RAM比特?cái)?shù)達(dá)6272。
　　（3）分布式算術(shù)邏輯單元，支持分布式DSP運(yùn)算。
　?。?）靈活的高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部三態(tài)總線；工作電壓為3．3V。
　　FPGA的編程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASHROM里，每次上電后單片機(jī)將編程數(shù)據(jù)裝入XCS10XL，編程模式選從串模式，因而其22腳（MI）和24腳（MO）懸空。編程數(shù)據(jù)裝入后，XCS10XL的邏輯功能就確定了。XCS10XL要控制視頻信號(hào)的輸入及A／D轉(zhuǎn)換，在其內(nèi)部，XCS10XL將每路視頻信號(hào)壓縮為原來(lái)的1／4，同時(shí)在單片機(jī)的控制下給每路疊加時(shí)間、日期、通道數(shù)等字符信息，然后將壓縮的四路視頻信號(hào)合成為一路完整的數(shù)字視頻信號(hào)，并輸出給D／A。
1．4　D／A轉(zhuǎn)換及輸出緩沖放大
??? D／A轉(zhuǎn)換電路將FPGA輸出的數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)緩沖放大輸出給監(jiān)視器。D／A芯片選HI1171，該芯片是一分辨率為8位，頻率為40MHz的高速D／A轉(zhuǎn)換器，其最大積分和微分線性誤差分別為1．3LSB和0．25LSB，最小建立時(shí)間僅為5ns，在單5V下工作，功耗只有80mW。輸出緩沖放大由分立元件組成。
1．5　單片機(jī)
　　由于程序量較大，且要裝載FPGA的編程數(shù)據(jù)，因而選用內(nèi)部FLASH ROM為64K的8位MSU2964單片機(jī)。該單片機(jī)的主要特點(diǎn)為：內(nèi)部RAM為256 bytes，工作電壓范圍為4．5V～5．5V，具有空閑和掉電兩種工作模式；可在16／25／40MHz三種時(shí)鐘頻率下工作，有8位無(wú)符號(hào)乘法和除法指令，其余和MCS－51系列單片機(jī)兼容。由于MSU2964具有乘除法指令，因而給軟件編程帶來(lái)了很大的方便，另外，64K的FLASH ROM空間也為以后的軟件升級(jí)留下了余地。
1．6　看門(mén)狗
　　由于MSU2964無(wú)看門(mén)狗定時(shí)器，為了防止系統(tǒng)死機(jī)，保證系統(tǒng)可靠地工作，需外加看門(mén)狗電路。本設(shè)計(jì)采用MAX813L作為電源監(jiān)控和看門(mén)狗電路，當(dāng)電源上電、掉電時(shí)，該芯片均可提供復(fù)位電平，并且當(dāng)其WDI管腳不能采集到脈沖信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)送200ms的復(fù)位脈沖。單片機(jī)采用P1．0腳定時(shí)向看門(mén)狗電路發(fā)送脈沖信號(hào)，以示系統(tǒng)正常工作；當(dāng)由于外部干擾或其他原因?qū)е孪到y(tǒng)死機(jī)時(shí)，看門(mén)狗電路會(huì)自動(dòng)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，以保證系統(tǒng)可靠工作。
1．7　存儲(chǔ)器
　　存儲(chǔ)器芯片采用串行E2PROM芯片X24C16，該芯片是容量為2kbytes帶寫(xiě)保護(hù)的I2C總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)WP＝1時(shí)，只能讀，不能寫(xiě)數(shù)據(jù)。它使用串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL）來(lái)進(jìn)行主從器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。I2C總線上的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)100bit／s，快速方式下可達(dá)400bit／s。在I2C總線傳輸中，開(kāi)始和停止條件定義如下：當(dāng)SCL為高時(shí)，SDA由高變低為開(kāi)始的條件；當(dāng)SCL為高時(shí)，由低變高時(shí)為停止的條件（如圖3（a）所示）。SDA和SCL都是雙向傳輸線，SDA線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘為高期間必須是穩(wěn)定的，只有當(dāng)SCL線上的時(shí)鐘信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)線上的狀態(tài)才可以改變（如圖3（b）所示）。輸出到SDA線上的每一個(gè)字節(jié)必須是8位，每次傳輸?shù)淖止?jié)不受限制，每個(gè)字節(jié)必須有一個(gè)應(yīng)答位。本設(shè)計(jì)中，X24C16的第5腳（SDA）和第6腳（SCL）分別接單片機(jī)的P3．6和P3．7。
1．8　時(shí)鐘和字符疊加電路
　　時(shí)鐘芯片選串行時(shí)鐘DS1302，有關(guān)DS1302的具體使用方法可參閱參考文獻(xiàn)〔1〕。

　　字符疊加電路由NEC公司μPD6453組成，該芯片可在屏幕上顯示12行每行24個(gè)字符，每個(gè)字符為12×18點(diǎn)陣，字符的大小、閃爍頻率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，屏幕的背景色、字符的邊緣色以及字符本身的顏色也可以進(jìn)行修改，該芯片內(nèi)部除了固化了191個(gè)日文、英文字母和數(shù)字等字符的字模以外，還固化了49個(gè)漢字（如年、月、日、時(shí)）的字模；另外，該芯片提供16個(gè)字符的RAM空間以供用戶填入自定義字符。由于畫(huà)面分割器不需要疊加太多不同的字符，因而本設(shè)計(jì)不外加漢字字庫(kù)，這樣既節(jié)省了成本和線路板的空間，又簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。μPD6453所需的行、場(chǎng)同步信號(hào)及時(shí)鐘信號(hào)均由FPGA提供。單片機(jī)通過(guò)串行數(shù)據(jù)傳輸將一系列命令（包括所要顯示的字符或漢字、字體大小、字符的間距、字符的屬性）送往μPD6453，μPD6453收到命令后再將所要顯示的字符或漢字等信息送至FPGA。單片機(jī)及FPGA與μPD6453的接口電路如圖4所示。單片機(jī)的P0．0、P0．1、P0．2、P0．7分別與μPD6453的Pin1、Pin2、Pin3、Pin4相連；FPGA的P61、P62、P35、P34分別與μPD6453的Pin9、Pin15、Pin19、Pin20相連。
1．9　MAX4545芯片
??? 視頻信號(hào)切換電路由MAX4545組成，該芯片可用于50Ω～70Ω系統(tǒng)中，是一種300MHz的低電壓、雙向多路高頻開(kāi)關(guān)器件，在10MHz頻率下有大于80dB的較好的高頻關(guān)斷隔離和串?dāng)_指標(biāo)，這種CMOS開(kāi)關(guān)在±2．7V至±6V的供電范圍內(nèi)均能正常工作。一片MAX4545可構(gòu)成一只4×1視頻信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)，剛好滿足本設(shè)計(jì)的要求。
1．10　報(bào)警信號(hào)處理
　　報(bào)警信號(hào)的接收及處理由單片機(jī)直接完成，無(wú)需經(jīng)過(guò)FPGA。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，單片機(jī)收到報(bào)警信息，發(fā)出命令使蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)通知FPGA和μPD6453使對(duì)應(yīng)的畫(huà)面閃爍并出現(xiàn)“報(bào)警”字樣。
2　軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)要注意的幾個(gè)問(wèn)題
　　（1）由于單片機(jī)MSU2964本身不帶看門(mén)狗定時(shí)器，為保證系統(tǒng)工作時(shí)不死機(jī)，務(wù)必要加看門(mén)狗芯片MAX813L。由于MAX813L的WDI腳在1．6秒內(nèi)無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)輸出，因此在軟件設(shè)計(jì)時(shí)要使P1．0輸出脈沖信號(hào)的間隔不能大于1．6秒，為留有余地，最好不大于1．3秒。這一點(diǎn)在處理中斷子程序及和X24C16或DS1302串行傳送數(shù)據(jù)時(shí)要特別注意，因?yàn)榇袀魉蛿?shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)往往要等待ACK（應(yīng)答）信號(hào)，確保等待時(shí)P1．0也有脈沖信號(hào)輸出。
??? （2）使用幀存儲(chǔ)器AL422應(yīng)注意的問(wèn)題
　　·由于幀存儲(chǔ)器AL422是FIFODRAM，因而須確保WCK和RCK信號(hào)始終有、且信號(hào)的頻率不低于1MHz，因WCK和RCK中頻率較高者將作為DRAM的刷新時(shí)鐘信號(hào)。
　　·在AL422的／RRST信號(hào)的上升沿，／RE信號(hào)不能為低，這一點(diǎn)在確定FPGA的編程數(shù)據(jù)時(shí)要特別注意（因／RRST和／RE信號(hào)均由FPGA提供）。
　　·AL422可在5V或3．3V電源電壓下工作，當(dāng)使用5V電源時(shí)，其DEC腳（Pin19）須接2．2μF的去耦電容；當(dāng)使用3．3V電源時(shí)，DEC腳（Pin19）可直接與3．3V相連，并通過(guò)0．1μF電容旁路到地。電容均使用鉭電容。由于使用3．3V時(shí)，器件功耗低，且受噪聲干擾小，因而在本設(shè)計(jì)中采用了3．3V電源對(duì)AL422供電。
　　（3）為避免視頻信號(hào)之間的串?dāng)_，各路模擬視頻信號(hào)間均用較粗的地線隔開(kāi)，且視頻走線足夠?qū)挕?/P>