基于CPLD的多路视频帧切换技术研究

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ＰＬＤＣＰＬＤＦＰＧＡ应用

《ＰＬＣ技术应用２００例》

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基于CPLD 的多路视频帧切换技术研究

Research of the method of switching multi-channel video signal base on frame using CPLD

(中山大学)

黄海路蒋念东

ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｌｕＪＩＡＮＧＮｉａｎ－ｄｏｎｇ

摘要:多路视频监控中常常会用到视频切换,而现行的各种视频切换多为基于播放时间的切换,切换瞬间会有图像损失,这对

视频监控是不利的。基于这种问题,本文设计一个应用在嵌入式系统的基于帧切换的多路视频切换系统,使用复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)提高电路集成度并简化开发流程。仿真结果显示切换瞬间扰动时间只有一帧图像的十万分之一,结果良好。

关键词:多路视频;视频切换;CPLD;TVP5150;帧切换;嵌入式中图分类号:TN911.73文献标识码:B

Abstract:Most of the in existence multi-channel video switching method is base on time.And the picture may be partly broken at the moment of switching.It is a disadvantage in video monitoring.Aim to solute the problem,we design a system that switches mul -ti-channel video signal base on ing complex programmable logic device (CPLD)can upgrade the integration of the circuit and simplify the designing flow.The simulation show a nice effect that the disorder signal just hundred thousandth of a frame in time.

Key words:multi-channel video;video switching;CPLD;TVP5150;frame switching;embedded systems

文章编号:1008-0570(2010)09-2-0125-03

1引言

目前我国交通量随着经济的高速发展迅猛增长,同时交通状况也不断恶化,交通事故的频发导致了大量的人员伤亡和经济损失。其中群死群伤的重特大交通事故大多涉及客运车辆和运输车辆。导致事故的主要原因就是超载、超速、疲劳驾驶[1]等。同时,由于治安问题,乘客的生命安全和财产安全时有受到威胁。而对运营车辆进行视频监控不仅可以防患于未然,有效监控和约束司机行为,也能对车上的违法犯罪行为有威慑作用。

虽然基于PC 平台的视频采集卡已有大量成品并已投入市场,但现存的应用在嵌入式系统的视频监控系统多为单路视频监控,要进行多路监控,只能购入多套系统。在一辆运营车辆内安装多套系统,安装布线麻烦,设备占用空间大且成本高。而且如果需求改变则必须更换整套系统,不利于设备的升级。

现有的视频切换技术,多是基于时间的视频切换,即每隔一定的时间间隔切换一路视频信号。这种切换方法控制简单,但缺点也显然易见,切换的瞬间并不一定是视频信号两帧图像的切换时刻。切换更多的是发生在某帧图像的中段,于是切换瞬间的图像质量会相当不可靠,会出现半幅图像、黑屏、花屏等现象。由此造成图像失真,这将不利于监视与取证。

基于以上原因,本文研究设计一个使用CPLD 芯片对多路视频数据进行帧切换的系统,保证多路视频切换瞬间图像的完整性。

2系统基本原理

本系统从摄像机接收模拟视频信号,通过视频信号模数转换芯片(视频AD 芯片)将信号转化为数字信号。以CPLD 对数字信号进行处理,并选择输出,总体结构如图1所示。常见的视频数字信号编码方式有YUV 和RGB 两种,本文采用YUV422编码。在YUV422编码下的数字图像信号中,每帧图像开始时都会处在奇场且垂直同步信号为高电平,因此可利用这个特性准确地判断图像的开始。本系统用CPLD 芯片捕捉各路视频图像数据的开始信号,并根据选择信号判断输出某一路视频图像。

图1系统总体示意图

一般的视频AD 芯片都需要在上电时进行寄存器设置,设置的工作量不大,但每次上电开机时都必须设置一次,因此本文使用低端的单片机对多块视频AD 芯片进行设置,这样既满足需要又可降低成本。

3硬件系统

设计中使用4路模拟视频输入,视频制式可以是PAL(B,D,

G,H,I,M,N)、NTSC(M,4.43)或SECAM(B,D,G,K,K1,L)中的

任意一种。通过视频数据模数转换芯片将模拟信号转换为数字信号,然后输入CPLD 芯片进行多路信号的切换,最后通过数据线将被选通的一路视频信号输送出去。

3.1TVP5150:视频AD 转换

本文使用的视频AD 转换芯片是TI(Texas Instruments 德州仪器公司)的TVP5150。该芯片使用1.8V 供电,是超低功耗、支

黄海路:硕士研究生125--

技术创新

《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２０１０年第２６卷第９－２期

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《现场总线技术应用２００例》

ＰＬＤＣＰＬＤＦＰＧＡ应用

持NTSC/PAL/SECAM 等格式的高性能视频解码器,在正常工作时,它的功耗仅115mW,并且具有32脚的TQFP 超小封装,这种封装尺寸只有7mm*7mm 。它可以接收2路复合视频信号

(CVBS)或1路S-Video 信号。通过单片机I2C 总线设置内部寄存器,可以输出8位4:2:2的ITU-R BT.656信号(同步信号内嵌),以及8位4:2:2的ITU-R BT.601信号(同步信号分离,单独引脚输出)。

3.289C2051、CBT3257:TVP5150的I 2C 总线设置

对TVP5150进行I 2C 总线设置使用的单片机是89C2051,该芯片成本低,技术成熟,编程方便,使用芯片座可便捷地拔插。由于I 2C 总线只支持两个设备在线,于是使用CBT3257多路复用芯片使单片机通过一个总线设置四个TVP5150芯片。

3.3EPM7192S:多路视频的切换

CPLD 是在PAL 、GAL 、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物,采用逻辑单元阵列,内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三个部分。用户可以对CPLD 内部的逻辑模块和IO 模块重新配置,以实现用户的逻辑。由于它具有静态可重复编程和动态在系统重构特性,使得硬件功能可以通过编程来修改。设计者可以用软件仿真验证设计的正确性,电路板完成后,还可在不改动电路的情况下修改设计。由于其集成度高,可减少电路板面积。同时,由于技术的成熟,CPLD 芯片成本

相对较低。

本次设计中使用的CPLD 芯片是ALTERA 公司MAX7000S 系列中的EPM7192S 。该芯片采用5V 核心供电电压、3.3V 输入输出口工作电压。其提供给用户自定义的IO 管脚有124个,支持JTAG 在线编程。在输出部分,为保证输出信号有足够的驱动能力,使用74ALVC164245驱动芯片对信号进行增强。整体硬件设计如图2所示。

图2.硬件系统示意图

4软件系统

本文软件系统包括89C2051的I 2

C 总线设置程序和

EPM7192S 中对视频信号的切换程序。

TVP5150使用内部寄存器进行功能的设定,而寄存器的值

需要通过I 2

C 总线进行设置。本文利用89C2051担负此项工作,

其软件按照I 2

C 协议编写,并预留了读取寄存器数据的子程序

可供调用。

EPM7192S 的视频切换程序,根据TVP5150输出视频信号

的特点,判定一帧图像的开始,并通过选择信号选通指定视频信号。利用CPLD 芯片的并行处理特性,使用状态机提升程序的效率。

4.189C2051中的I 2C 总线设置程序

I2C 设置程序以C 语言编写。I 2C 总线是由数据线SDA 和时钟线SCL 构成的串行总线,可发送和接收数据。I 2C 总线在传送数据过程中有以下3种类型信号:

1)开始信号(Start)。SCL 为高电平时,SDA 由高电平向低电平跳变,开始传送数据。

2)结束信号(Stop)。SCL 为高电平时,SDA 由低电平向高电平跳变,结束传送数据。

3)应答信号(AcK)。接收数据的IC 在接收到8bit 数据后,向发送数据的IC 发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。

I 2C 总线在传送数据时,必须保证在SCL 高电平时SDA 上数据稳定,否则就判断为开始或结束信号。三种信号如图2所示

图3I 2C 总线基本信号

由于TVP5150只能设置为两个不同的I 2C 总线地址,本文系统利用89C2051,先设置好其中两块TVP5150芯片,然后向

CBT3257多路复用芯片发出片选信号,设置另外两块TVP5150

芯片。

4.2TVP5150输出时序

TVP5150将每一个像素点的视频数据分为八位,另有行同

步信号、场同步信号、奇偶场标识、场消隐信号及有效图像标识信号。由于不进行视频画面缩小,所以有效图像标识信号并不接入CPLD 进行处理。TVP5150输出的数字信号时序如图4所示。

图4TVP5150输出的数字信号时序图

图2中Composite Video 信号是复合视频信号,一格代表一行数据;VSYNC 为垂直同步信号;FID 是奇偶场校验信号,低电

平代表偶场,高电平代表奇场;VBLK 则为场消隐信号。

其中Composite Video 中,每格数据为一行。前六行不承载任何图像,同时发出场同步信号,该信号下跳变时,奇偶场标识信号跳变为1,此时为奇场。此时输出的是奇数行的信号。第314到319个行信号也不承载图像,发出场同步信号,场同步信号下跳变时,奇偶场标识信号跳变为0,此时为偶场。此时输出的是偶数行的信号。

4.3EPM7192的视频信号切换程序

视频切换程序为每路视频信号设定四种状态,并参考

Moore 型状态机的设计方法进行状态切换。

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