第8章圖像處理電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第8章 圖像處理電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)8.1 視頻AD設(shè)計(jì)8.2 視頻DA設(shè)計(jì)8.3 FPGA設(shè)計(jì)8.4 DSP設(shè)計(jì)8.5 LCD接口設(shè)計(jì)8.6 VGA接口設(shè)計(jì)8.7 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)8.8 FLASH接口設(shè)計(jì)8.1 視頻AD設(shè)計(jì)CVBS信號(hào)采集VGA信號(hào)采集分量信號(hào)采集紅外視頻信號(hào)采集模擬視頻信號(hào)格式1 CVBS信號(hào) Composite Video Broadcast Signal或 Composite Video Blanking and SyncCVBS是一種被廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，也叫基帶視頻或RCA視頻，主要有NTSC、PAL制和SECAM制。美國(guó)、加拿大等用NTSC制，歐洲、中國(guó)等用PAL制。它以模

2、擬波形來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，復(fù)合視頻包括色差和亮度信息，并將它們同步在消隱脈沖中，用同一信號(hào)傳輸。模擬視頻信號(hào)格式 PAL制模擬視頻 逐行掃描與隔行掃描 PAL制為25幀/秒、奇偶場(chǎng)合為一幀，每幀圖像為625行，每場(chǎng)為312.5行。每行周期64微秒，即行頻為15625Hz。標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化視頻為720*576像素/幀。 NTSC制為29.97幀/秒，每幀525行，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化視頻為720*480像素/幀。 行同步與場(chǎng)同步 行消隱與場(chǎng)消隱 開(kāi)槽脈沖與均衡脈沖模擬視頻信號(hào)格式模擬視頻信號(hào)采集1 CVBS信號(hào)采集（1）用普通AD采集只能采集亮度信號(hào)（形成灰度圖像），不能采集彩色信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到更高的采樣精度。

3、同步分離EL4583鎖相倍頻EL4584采樣控制CPLD或FPGA緩存FIFO或DPRAMHSCLKVSFSCVBSADC模擬視頻信號(hào)采集（2）專(zhuān)用視頻AD采集主要有AD公司的ADV718x、Philips公司的SAA71xx、TI公司的TVP51xx等。專(zhuān)用視頻AD內(nèi)部集成了同頻分離、亮度與色度信號(hào)分離、AGC控制、梳狀濾波器等。一般都同時(shí)兼容PAL、NTSC、SECAM三種制式。模擬視頻信號(hào)采集2 VGA信號(hào)采集（1）普通AD采集鎖相倍頻EL4584采樣控制CPLD或FPGA緩存FIFO或DPRAMHSCLKVSADC1ADC2ADC3RGB模擬視頻信號(hào)采集（2）專(zhuān)用AD采集如TI公司的T

4、VP7002。內(nèi)部集成了三路AD、鎖相倍頻、放大器、RGB轉(zhuǎn)YUV等，可直接采集普通的CVBS信號(hào)，還能直接采集高清格式的720p、1080p以及VGA等模擬信號(hào)。模擬視頻信號(hào)采集3 S-Video與分量視頻信號(hào)的采集可采用普通AD采樣，同CVBS信號(hào)的采集，只是需要兩路或三路AD。也可采用專(zhuān)用AD采集，如TVP7002、ADV7441A等。模擬視頻信號(hào)采集4 紅外視頻信號(hào)采集采樣控制CPLD或FPGA緩存FIFO或DPRAMADC紅外探測(cè)器CLKINTDataValidDACGpol8.2 視頻DA 主要有兩類(lèi)視頻DA： 自帶時(shí)序產(chǎn)生器，可以是CVBS信號(hào)，也可以是VGA信號(hào)，具體時(shí)序由I2

5、C總線(xiàn)配置寄存器實(shí)現(xiàn)。因此，必須有I2C接口。可以由FPGA實(shí)現(xiàn)I2C接口，也可以由帶I2C接口的DSP控制。 不帶時(shí)序產(chǎn)生器，控制時(shí)序由外部產(chǎn)生，如FPGA或CPLD。因此，必須外接FPGA。自帶時(shí)序產(chǎn)生器的視頻DA不帶時(shí)序產(chǎn)生器的視頻DA8.3 FPGA設(shè)計(jì)FPGA電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分：電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分： 配置電路：設(shè)計(jì)出錯(cuò)則完全無(wú)法調(diào)試；配置電路：設(shè)計(jì)出錯(cuò)則完全無(wú)法調(diào)試； 時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路： 輸入時(shí)鐘均需接到輸入時(shí)鐘均需接到FPGA專(zhuān)用時(shí)鐘管腳，對(duì)于不需要倍頻且頻率較低的時(shí)鐘，專(zhuān)用時(shí)鐘管腳，對(duì)于不需要倍頻且頻率較低的時(shí)鐘，可接到可接到FPGA普通普通IO腳；腳； 經(jīng)經(jīng)FPGA的的PLL

6、產(chǎn)生的時(shí)鐘，如果要輸出到其他器件的時(shí)鐘管腳，則需由產(chǎn)生的時(shí)鐘，如果要輸出到其他器件的時(shí)鐘管腳，則需由PLL的輸出時(shí)鐘管腳輸出。的輸出時(shí)鐘管腳輸出。 參考電壓管腳及參考電壓管腳及IO電壓：當(dāng)某個(gè)電壓：當(dāng)某個(gè)BANK接特殊電平標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要注意接特殊電平標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要注意IO電壓是否接到正確的電壓上，如果是像電壓是否接到正確的電壓上，如果是像DDR、DDR2、DDR3等等SSTL電電平標(biāo)準(zhǔn)，則需要注意參考電壓管腳是否連接正確。平標(biāo)準(zhǔn)，則需要注意參考電壓管腳是否連接正確。 高速高速I(mǎi)O管腳：當(dāng)電路中有高速管腳：當(dāng)電路中有高速I(mǎi)O接口時(shí)，如接口時(shí)，如RapidIO、千兆以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)、RocketIO

7、、PCIe等，需要注意高速等，需要注意高速I(mǎi)O腳及其供電電路的連接。腳及其供電電路的連接。8.3 FPGA設(shè)計(jì) FPGA普通普通IO腳連接腳連接 由于由于FPGA是可重構(gòu)的，普通是可重構(gòu)的，普通IO腳功能都差不多，可以隨便連接。腳功能都差不多，可以隨便連接。一般在一般在FPGA的的IO腳分配時(shí)，以便于腳分配時(shí)，以便于PCB布線(xiàn)為原則。但是有以布線(xiàn)為原則。但是有以下幾點(diǎn)需要注意：下幾點(diǎn)需要注意： 接接DDR存儲(chǔ)器與接存儲(chǔ)器與接LVDS差分信號(hào)的管腳一般分布在不同差分信號(hào)的管腳一般分布在不同BANK，而，而且且DDR類(lèi)器件的類(lèi)器件的DQ管腳、管腳、DQS管腳、管腳、DM管腳、地址與控制管腳一管腳、

8、地址與控制管腳一般要接在般要接在FPGA的特殊管腳上，在設(shè)計(jì)的特殊管腳上，在設(shè)計(jì)DDR類(lèi)器件接口時(shí)要特別注意，類(lèi)器件接口時(shí)要特別注意，管腳不可隨意分配。管腳不可隨意分配。 同一組數(shù)據(jù)總線(xiàn)最好接在同一個(gè)同一組數(shù)據(jù)總線(xiàn)最好接在同一個(gè)BANK，不要跨，不要跨BANK連接。連接。 不同不同IO接口電壓的器件不可跨接口電壓的器件不可跨BANK連接。連接。 有些管腳是復(fù)用管腳，有些管腳只能做為輸入或輸出，一定要注意。有些管腳是復(fù)用管腳，有些管腳只能做為輸入或輸出，一定要注意。8.4 DSP設(shè)計(jì) CPU、DSP、ARM、PowerPC、單片機(jī)的比較、單片機(jī)的比較 PC機(jī)的機(jī)的CPU用于桌面計(jì)算機(jī)，對(duì)功耗沒(méi)有

9、限制，主頻高、性能強(qiáng)，用于桌面計(jì)算機(jī)，對(duì)功耗沒(méi)有限制，主頻高、性能強(qiáng)，但是實(shí)時(shí)性較差，主要與操作系統(tǒng)有關(guān)。但是實(shí)時(shí)性較差，主要與操作系統(tǒng)有關(guān)。 DSP、ARM、PowerPC、單片機(jī)均用于嵌入式系統(tǒng)，主要有以、單片機(jī)均用于嵌入式系統(tǒng)，主要有以下區(qū)別：下區(qū)別： DSP內(nèi)部集成硬件乘加器，有多個(gè)執(zhí)行單元，專(zhuān)用于各種數(shù)字信號(hào)內(nèi)部集成硬件乘加器，有多個(gè)執(zhí)行單元，專(zhuān)用于各種數(shù)字信號(hào)處理；處理； ARM功耗低、接口豐富、應(yīng)用廣泛，可安裝較多的操作系統(tǒng)，如手功耗低、接口豐富、應(yīng)用廣泛，可安裝較多的操作系統(tǒng)，如手機(jī)的各種操作系統(tǒng)，一般用于智能設(shè)備；機(jī)的各種操作系統(tǒng)，一般用于智能設(shè)備； PowerPC的運(yùn)算性能

10、與功耗介于的運(yùn)算性能與功耗介于ARM和和DSP之間，有些之間，有些PowerPC的性能和功耗甚至超過(guò)的性能和功耗甚至超過(guò)DSP，也可安裝不同的操作系統(tǒng)，如，也可安裝不同的操作系統(tǒng)，如Linux、VxWORKS等；等； 單片機(jī)功能最弱，但是價(jià)格便宜，一般用于各種簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)中。單片機(jī)功能最弱，但是價(jià)格便宜，一般用于各種簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)中。DSP系統(tǒng)與PC機(jī)對(duì)比： PC機(jī)組成機(jī)組成 DSP系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成主板主板 電路板電路板 CPU DSP內(nèi)存內(nèi)存 各種各種RAM硬盤(pán)硬盤(pán) FLASH顯示器顯示器 LED、LCD或監(jiān)視器或監(jiān)視器鼠標(biāo)鍵盤(pán)等鼠標(biāo)鍵盤(pán)等 各種按鍵各種按鍵DSP與CPU對(duì)比：選擇時(shí)應(yīng)考慮

11、的因素選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素: DSP CPU主頻主頻 =3G緩存大小緩存大小 =8M =12M型號(hào)型號(hào) CXXX、TSXXX等等 奔騰、酷睿等奔騰、酷睿等生產(chǎn)廠商生產(chǎn)廠商 TI、AD Intel、AMDTI公司DSP選型1.TMS320C2000系列：主要用于工業(yè)控制，其中系列：主要用于工業(yè)控制，其中C24x速度為速度為2040MHz，C28x速度為速度為100150MHz；2.TMS320C5000系列：低功耗系列。在音頻處理和通信方面用得較多。系列：低功耗系列。在音頻處理和通信方面用得較多。其中其中C55x功耗最低，速度可達(dá)功耗最低，速度可達(dá)300MHz；而；而OMAP系列為雙核系列為雙核C

12、PU，包，包括一個(gè)括一個(gè)C55的核和一個(gè)的核和一個(gè)ARM9的核；的核；3.TMS320C6000系列：高性能系列，目前最高的是系列：高性能系列，目前最高的是C6678，內(nèi)部含有，內(nèi)部含有8個(gè)個(gè)C66的核，主頻可達(dá)的核，主頻可達(dá)1.25G；其次是；其次是C64系列，最低的是系列，最低的是C62系列；系列；C67為浮點(diǎn)為浮點(diǎn)DSP。達(dá)芬奇系列：專(zhuān)用于視頻處理，片上帶有專(zhuān)門(mén)的圖像達(dá)芬奇系列：專(zhuān)用于視頻處理，片上帶有專(zhuān)門(mén)的圖像/視頻處理模塊，如視頻處理模塊，如圖像采集、圖像縮放、圖像壓縮、圖像顯示、畫(huà)中畫(huà)、直方圖處理等。圖像采集、圖像縮放、圖像壓縮、圖像顯示、畫(huà)中畫(huà)、直方圖處理等。從應(yīng)用上來(lái)分C600

13、0系列DSP主要外設(shè) EMIF（注意各種存儲(chǔ)器的區(qū)別） HPI、PCI、XBUS MCBSP、MCASP、UART TIMER DMA、EDMA VP EMAC、MDIO I2C GPIO VCXO、VCP、TCP、UTOPIADSP最小系統(tǒng) 時(shí)鐘源及PLL外圍電路 復(fù)位電路 譯碼電路 存儲(chǔ)器 JTAG 電源 初始化上下拉電阻需要進(jìn)行初始化上下拉的管腳 1. BOOT模式 2. Endian模式 3. 時(shí)鐘模式 4. EMIF時(shí)鐘選擇（對(duì)C6x1x而言） 5. 部分JTAG管腳和保留管腳 6. 復(fù)用管腳的功能選擇 7. NMI、ARDY、HOLD、HCS、XHOLD、XRDY、XCS等 不同的

14、DSP，初始化管腳不一樣，請(qǐng)參見(jiàn)各自的DataSheetDSP總線(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)最好接上33歐姆左右的電阻排，一方面起到阻抗匹配的作用，一方面便于調(diào)試時(shí)測(cè)量信號(hào)，還有就是當(dāng)設(shè)計(jì)有錯(cuò)誤時(shí)方便飛線(xiàn)。當(dāng)總線(xiàn)上掛接的器件較多時(shí)，最好用驅(qū)動(dòng)芯片(244或245)將同步器件和異步器件隔離開(kāi)。如下：總線(xiàn)同步器件1同步器件2同步器件n驅(qū)動(dòng)異步器件1異步器件2異步器件n多DSP互連 如果單片DSP不滿(mǎn)足速度要求，就需要多片。多片DSP可以并行處理也可以串行處理。如果DSP之間需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，可以直接用McBSP、HPI、UTOPIA等接口進(jìn)行通信，如果數(shù)據(jù)量較大，則需要使用雙口RAM或FIFO。T

15、I公司新推出的C6455含有一組RapidIO，另外該DSP還可以直接接DDR2 SDRAM。RapidIO可以用于兩片DSP之間進(jìn)行高速通信。而AD公司的DSP含有4個(gè)或6個(gè)Link口，比較適合多片擴(kuò)展。 1.串行處理 2.并行處理多DSP互連DSP1DSP2DSPn輸出輸入DSP1DSP2DSPn控制輸出輸入與PC機(jī)的接口 1.USB 2.PCI 3.串口（注意同步串口與異步串口的區(qū)別） 4.并口 5.網(wǎng)口 6.與PC機(jī)接口時(shí)，需要三方軟件：固件程序、驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序。8.5 LCD接口 視頻顯示器件 CRT LCD PDP OLED DLP數(shù)字顯示器件 CRT 最早的顯示器 刷新率高、

16、可視角度大、響應(yīng)快 某些區(qū)域可能出現(xiàn)聚焦不良或散焦，存在色彩漂移，體積大，重量大數(shù)字顯示器件 LCD 第二代顯示器 體積小、重量輕 反應(yīng)速度慢、容易有殘影或拖尾、容易有壞點(diǎn)、容易有偏色數(shù)字顯示器件 PDP（等離子顯示器）（等離子顯示器） 與與CRT相比：體積小、重量輕、屏幕亮度均勻、相比：體積小、重量輕、屏幕亮度均勻、不受磁場(chǎng)影響、不存在聚焦問(wèn)題不受磁場(chǎng)影響、不存在聚焦問(wèn)題 與與LCD相比：亮度高、色彩好、灰度豐富、響相比：亮度高、色彩好、灰度豐富、響應(yīng)速度快、視角大應(yīng)速度快、視角大 容易與大規(guī)模集成電路集成，工藝方便，結(jié)構(gòu)容易與大規(guī)模集成電路集成，工藝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單 缺點(diǎn)：功耗大，需要多

17、組風(fēng)扇來(lái)散熱缺點(diǎn)：功耗大，需要多組風(fēng)扇來(lái)散熱數(shù)字顯示器件 OLED （有機(jī)發(fā)光顯示器）（有機(jī)發(fā)光顯示器） 目前比較流行的顯示器目前比較流行的顯示器 發(fā)光原理與發(fā)光原理與LED相似相似 分為分為PMOLED和和AMOLED 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 薄膜化全固態(tài)器件，無(wú)真空腔，無(wú)液態(tài)成分薄膜化全固態(tài)器件，無(wú)真空腔，無(wú)液態(tài)成分 亮度高、視角寬（左右視角超過(guò)亮度高、視角寬（左右視角超過(guò)160度）度） 響應(yīng)快，響應(yīng)速度為微秒級(jí)，是響應(yīng)快，響應(yīng)速度為微秒級(jí)，是LCD的的1000多倍多倍 易于實(shí)現(xiàn)全彩色易于實(shí)現(xiàn)全彩色 低功耗、工藝簡(jiǎn)單、成本低低功耗、工藝簡(jiǎn)單、成本低 可以可以-4085度范圍內(nèi)工作度范圍內(nèi)工作數(shù)字顯示

18、器件 DLP（數(shù)字光處理）（數(shù)字光處理） 用于投影用于投影 采用采用TI公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字微反射器鏡器件公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字微反射器鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）完成）完成數(shù)字信息的顯示數(shù)字信息的顯示視頻顯示系統(tǒng) CRT顯示器一般采用顯示器一般采用VGA接口，需要將數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟＝涌?，需要將?shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)再顯示。擬信號(hào)再顯示。R、G、B三個(gè)模擬信號(hào)，三個(gè)模擬信號(hào)，VS和和HS為數(shù)字為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)。 有兩種不同的有兩種不同的DA可以接可以接VGA顯示器：顯示器： 一種是可以不用一種是可以不用FPGA，由，由DSP通過(guò)通過(guò)I2C接口給接口給DA的寄存器配置的寄

19、存器配置行周期、幀周期等，行周期、幀周期等，DA自己產(chǎn)生行同步和幀同步。自己產(chǎn)生行同步和幀同步。 另一種沒(méi)有另一種沒(méi)有I2C接口，直接由接口，直接由FPGA產(chǎn)生行同步和幀同步。產(chǎn)生行同步和幀同步。視頻顯示系統(tǒng) LCD與與OLED顯示顯示 兩者接口基本相同兩者接口基本相同 有三種接口形式：有三種接口形式：（1）與）與CRT相同接口（相同接口（VGA），需要驅(qū)動(dòng)板；），需要驅(qū)動(dòng)板；（2）數(shù)字接口（帶行同步、幀同步、）數(shù)字接口（帶行同步、幀同步、RGB數(shù)據(jù)）；數(shù)據(jù)）；（3）數(shù)字接口（與）數(shù)字接口（與CPU接口）。接口）。8.6 VGA接口設(shè)計(jì) VGA接口由以下信號(hào)組成接口由以下信號(hào)組成 HS：行同步

20、，數(shù)字信號(hào)；：行同步，數(shù)字信號(hào)； VS：幀同步，數(shù)字信號(hào)；：幀同步，數(shù)字信號(hào)； DGND：數(shù)字地；：數(shù)字地； R：紅色分量，模擬信號(hào)；：紅色分量，模擬信號(hào)； G：綠色分量，模擬信號(hào)；：綠色分量，模擬信號(hào)； B：藍(lán)色分量，模擬信號(hào)；：藍(lán)色分量，模擬信號(hào)； AGND：模擬地；：模擬地； 地址碼、測(cè)試信號(hào)：一般用于測(cè)試，常規(guī)情況下不用。地址碼、測(cè)試信號(hào)：一般用于測(cè)試，常規(guī)情況下不用。2 VGA信號(hào)VGA信號(hào)FPGA圖像緩存輸入視頻ADV7123VGA顯示器R7:0G7:0B7:0CSYNCCBLANKRGBHSVS8.7 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器類(lèi)型：存儲(chǔ)器類(lèi)型： RAM： SRAM SSRAM SDR

21、AM（SDR、DDR、DDR2、DDR3） DPRAM ROM： ROM PROM EPROM EEPROM FLASH（NOR FLASH、NAND FLASH）8.7 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì) DSP與存儲(chǔ)器接口與存儲(chǔ)器接口 一般一般DSP自帶存儲(chǔ)器接口（自帶存儲(chǔ)器接口（EMIF），可接多種同步或），可接多種同步或異步存儲(chǔ)器。如異步存儲(chǔ)器。如C6000系列系列DSP，可直接與，可直接與SRAM、SSRAM、FLASH、SDRAM接口，有的還可以與接口，有的還可以與DDR2或或DDR3 SDRAM直接接口。直接接口。 對(duì)于對(duì)于NAND FLASH，TI公司新推出的公司新推出的DSP基本都帶專(zhuān)基本都帶專(zhuān)

22、用的接口，而舊的用的接口，而舊的DSP則需由則需由IO口及口及EMIF口配合實(shí)現(xiàn)口配合實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)NAND FLASH的控制。的控制。8.7 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì) FPGA與存儲(chǔ)器接口與存儲(chǔ)器接口 新的新的FPGA可與任何存儲(chǔ)器接口，但是復(fù)雜的可與任何存儲(chǔ)器接口，但是復(fù)雜的存儲(chǔ)器需要專(zhuān)用存儲(chǔ)器需要專(zhuān)用IP的支持，如的支持，如SDRAM（無(wú)論（無(wú)論是是SDR還是還是DDR）、）、NAND FLASH等。等。 而而SRAM、SSRAM接口則比較簡(jiǎn)單。接口則比較簡(jiǎn)單。 在硬件連接時(shí)需考慮接口電平標(biāo)準(zhǔn)，而連接在硬件連接時(shí)需考慮接口電平標(biāo)準(zhǔn)，而連接DDR類(lèi)的存儲(chǔ)器時(shí)，還要考慮管腳的分配問(wèn)題。類(lèi)的存儲(chǔ)器時(shí)，還要考慮管腳的分配問(wèn)題。8.8 FLASH接口設(shè)計(jì)NOR FLASH接口接口主要信號(hào)：主要信號(hào)：數(shù)據(jù)總線(xiàn)數(shù)據(jù)總線(xiàn)地址總線(xiàn)地址總線(xiàn)CEOEWE一般分為擦除、編程（寫(xiě)）和讀取。而擦除又分為塊擦除和芯片擦除。一般分為擦除、編程（寫(xiě)）和讀取。而擦除又分為塊擦除和芯片擦除。在沒(méi)有進(jìn)行編程時(shí)，所以存儲(chǔ)空間的內(nèi)容都為在沒(méi)有進(jìn)行編程時(shí)，所以存儲(chǔ)空間的內(nèi)容都為0 xFF。編程即對(duì)不同空間寫(xiě)入想要。編程即對(duì)不同空間寫(xiě)入想要的數(shù)據(jù)。的數(shù)據(jù)。寫(xiě)入數(shù)據(jù)后必須擦除才能再寫(xiě)入別的數(shù)據(jù)。寫(xiě)入數(shù)據(jù)后必