基于FPGA的多路視頻通道控制
電子設計工程 曾晶 唐湘成 劉怡
摘要： 視頻監控以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。視頻監控成為人們生活中不可缺少的技術。在一些危險場所，用視頻監控代替人工監視，可以保證人們的生命安全。鑒于一路視頻的視野范圍有限，要充分收集目標的信息，就需要有多路視頻來對同一個物體在不同方位進行監控。因此需要有一個良好的控制手段，確保多路視頻控制穩定，可靠。針對織布機告警系統的需求，提出一種基于FPGA的多路視頻通道控制系統，本系統設計利用FPGA間接控制2塊MAX4312選通所需要的視頻通道，實現各個視頻通道間相互切換。根據開關控制信號的設計思想在FPGA中對撥動開關輸入信號做去抖動處理，然后對不同的開關操作進行編碼，最后將信號送給DSP進行處理。
Abstract：
Key words :
視頻監控以其直觀、方便、信息內容豐富而廣泛應用于許多場合。視頻監控成為人們生活中不可缺少的技術。在一些危險場所，用視頻監控代替人工監視，可以保證人們的生命安全。鑒于一路視頻的視野范圍有限，要充分收集目標的信息，就需要有多路視頻來對同一個物體在不同方位進行監控。因此需要有一個良好的控制手段，確保多路視頻控制穩定，可靠。針對織布機告警系統的需求，提出一種基于FPGA的多路視頻通道控制系統，本系統設計利用FPGA間接控制2塊MAX4312選通所需要的視頻通道，實現各個視頻通道間相互切換。根據開關控制信號的設計思想在FPGA中對撥動開關輸入信號做去抖動處理，然后對不同的開關操作進行編碼，最后將信號送給DSP進行處理。
l 系統總體結構
系統總體結構如圖1所示。在1臺工業織布機上安裝了16個CCD圖像傳感器對布匹進行圖像監控，通過2片MAX4312選擇16路圖像視頻信號中的一路，經可編程視頻輸入器件SAA7111處理后從VP0輸出數字圖像信號。同時SAA7111輸出相應的行、場同步信號HS，VS以及與HS鎖定的時鐘信號LLC、LLC2，利用這些信號在EP3C25F324C8中對圖像進行預處理。然后將處理后的圖像通過PPI口送給BF561中進行算法處理，最后將處理結果送給報警和狀態指示裝置，實現織布機告警功能。為了使圖像監控更方便，該系統設計增添了電平撥動開關和脈沖撥動開關。電平開關使輸入圖像停止切換，固定于其中一路視頻輸人圖像。脈沖開關可以左右撥動，每次向左或向右撥動都會產生一個很短的上升沿脈沖，同時圖像向前或向后進行切換，實現手動選擇視頻輸入通道的功能。
2 軟件模塊設計
2．1 開關控制信號
實際工程中，BF56l連接在FPGA上的PF引腳比較少。為了節約資源，只通過BF561中的BF9來識別2個撥動開關的動作。因此首先需要將2個撥動開關輸入信號在FPGA中進行處理整合，得到合適的信號。
本系統開關控制信號的設計思想：由于設計這個信號的目的是識別開關控制動作。因此，只要任何一個開關發生了動作就需要產生一個脈沖。如果只有脈沖信號就只能知道開關發生了動作，而不知道是哪個開關發生了什么動作。所以，要識別具體是哪個開關發生了什么動作就必須配合雙口RAM中的數據進行解碼。該系統設計的脈沖持續時間對BF561來說并不重要，只要BF561能識別這個脈沖即可。由于系統中的2個撥動開關，一個是電平撥動開關，另一個是脈沖撥動開關，因此，只要根據電平撥動開關的動作制作相應的脈沖信號，再用這個信號與脈沖撥動開關產生的原始信號邏輯相與，就能得到所需要的目的信號。
由于撥動開關是機械觸點，當其斷開、閉合時會有相應的前沿、后沿抖動，為了使每次動作都只做一次響應，就必須對原始開關信號做去抖動處理。抖動信號可以分為2種：一種是時間很短的干擾信號，如高頻毛刺；另一種是時間較長的干擾信號，如開關抖動。這里的撥動開關都是人為操作，因此每次觸發的時間都不會很短，一般小于10 Hz。根據上述分析開關抖動信號屬于后一種。因此在每次開關操作后，對其產生的信號進行連續采樣，如果每次采樣都是低電平或者都是高電平，就認為此信號不是抖動，確實開關狀態發生了變化。整個設計過程使用VerilogHDL硬件描述語言編寫，然后在QuartusⅡ平臺上編譯，并采用SignalTapⅡLogic Arlalvzer對信號采樣分析，調試通過后連同其他程序一起燒寫進FPGA的配置器件EPCSl6中。圖2～圖4分別是各個開關動作去抖動前和去抖動后的實時信號采樣圖。去抖動模塊中的部分代碼如下：
其中，clk為13．5 MHz頻率的時鐘信號，clk_cnt為采樣時間間隔計數器，當clk_cnt為135 000時采樣1次，即每隔10 ms采樣1次。寄存器shuru_temp存儲前一次開關信號狀態，shum存儲當前開關信號狀態。如果shuru_temp的值等于shtlm的值，則計數器test_cnt自動加l。如果連續4次采樣值相等，即test_cnt=4時去抖動輸出才隨輸入變化。
用電平撥動開關信號作為輸入，制作了一個脈沖信號用于識別開關動作，其代碼如下：
代碼中寄存器level_contrl_TEMP存儲level_contrl延時256個時鐘周期后的信號，然后用level_eontrl_TEMP中存儲的信號與level_co-ntrl的值相異或產生所需要的脈沖信號。
調試中發現，去抖動后的信號經?；煊谐掷m時間很短的高頻脈沖干擾信號，因此設計中使用兩級D觸發器延時來徹底消除高頻脈沖干擾，其程序代碼如下：
2．2 雙口RAM及開關信號編碼設計
雙口RAM分為真、假2種雙口。真雙口2個端口都可以讀寫，互不干擾。本次設計根據實際需要，添加的RAM模塊一端只讀，另一端只寫，讀寫互不干擾。根據上述分析可知，開關控制信號只能知道有開關控制動作發生，但是不能識別具體哪個開關發生了動作。因此，設計中首先利用MegaWizardPlug_In Manager中的宏功能塊RAM：2_PORT產生1個雙口RAM存儲塊，然后對這個宏功能模塊的參數進行適當調整，產生一個滿足自己特定要求的模塊，如圖5所示。
設計過程中，首先將開關動作進行編碼。然后將編碼后的數據存進空間大小為8的雙口RAM中。當BF561檢測到PF9上的脈沖后，在PF中斷中讀取RAM中指定地址的數據，然后根據這個數據進行開關狀態解碼并按解碼后的控制信息對2塊MAX4312器件進行操作以控制視頻通道。對開關動作進行的編碼程序代碼如下：
整個設計有4種開關動作，程序中分別將其編碼成數據0l、02、03、04，然后將編碼后的這4個數據存入雙口模塊中，等待BF561來讀取并進行解碼。圖6是SignalTapⅡLogic Analyzer中對脈沖開關向右撥動后存入RAM中的數據進行采樣。
程序中RAM的讀信號rden_signal是由DSP發送的地址信號DSP_A、BANK選擇信號DSP_AMSl以及DSP讀信號DSP_ARE進行控制的。當DSP不從雙口讀取數據時，必須給DSP的數據線賦值高阻，以免影響SDRAM對DSP數據線的操作。賦值指令如下：assignDSP_D=(rden_signal=l 'b1)？DSP_D_TEMP；8 'hzz；其中DSP_D_TEMP是從雙口中讀取的數據。
3 結論
首先介紹了整個系統的工業背景和硬件架構，然后著重闡述了怎樣在FPGA中處理開關控制信號，以達到可靠響應每個開關動作的目的。整個設計程序是在QuartusⅡ平臺上用Verilog硬件描述語言編寫，利用QuartusⅡ中的下載工具和SignalTapⅡLogic Analyzer工具進行下載、實時采樣，并多次調試驗證。本次設計已經成功應用于布機告警系統中，每次撥動開關都能準確、可靠的切換視頻通道。雖然此系統中只有兩種開關，但是整個程序的設計思想對多種開關控制也是通用的，只需在細節上稍作改變就能識別多種開關動作。
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