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(jiān)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(jiān)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(jiān)控代替人工監(jiān)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(jiān)控,。因此需要有一個良好的控制手段,，確保多路視頻控制穩(wěn)定,，可靠。針對織布機告警系統(tǒng)的需求,，提出一種基于FPGA的多路視頻通道控制系統(tǒng),，本系統(tǒng)設計利用FPGA間接控制2塊MAX4312選通所需要的視頻通道，實現(xiàn)各個視頻通道間相互切換。根據(jù)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(jiān)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(jiān)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(jiān)控代替人工監(jiān)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(jiān)控,。因此需要有一個良好的控制手段,，確保多路視頻控制穩(wěn)定，可靠,。針對織布機告警系統(tǒng)的需求,，提出一種基于FPGA的多路視頻通道控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)設計利用FPGA間接控制2塊MAX4312選通所需要的視頻通道,，實現(xiàn)各個視頻通道間相互切換,。根據(jù)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(tǒng)總體結構
系統(tǒng)總體結構如圖1所示。在1臺工業(yè)織布機上安裝了16個CCD圖像傳感器對布匹進行圖像監(jiān)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(shù)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(tài)指示裝置,，實現(xiàn)織布機告警功能,。為了使圖像監(jiān)控更方便，該系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(tǒng)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(fā)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(fā)生了動作,，而不知道是哪個開關發(fā)生了什么動作,。所以，要識別具體是哪個開關發(fā)生了什么動作就必須配合雙口RAM中的數(shù)據(jù)進行解碼,。該系統(tǒng)設計的脈沖持續(xù)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(tǒng)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(jù)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(fā)的時間都不會很短,，一般小于10 Hz,。根據(jù)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(xù)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(tài)發(fā)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(shù)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(tài),，shum存儲當前開關信號狀態(tài),。如果shuru_temp的值等于shtlm的值，則計數(shù)器test_cnt自動加l,。如果連續(xù)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(fā)現(xiàn),，去抖動后的信號經常混有持續(xù)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(fā)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(jù)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(jù)上述分析可知,，開關控制信號只能知道有開關控制動作發(fā)生,，但是不能識別具體哪個開關發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù),，然后根據(jù)這個數(shù)據(jù)進行開關狀態(tài)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(shù)據(jù)0l,、02,、03、04,，然后將編碼后的這4個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行采樣,。
程序中RAM的讀信號rden_signal是由DSP發(fā)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(shù)據(jù)時,，必須給DSP的數(shù)據(jù)線賦值高阻,，以免影響SDRAM對DSP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),。
3 結論
首先介紹了整個系統(tǒng)的工業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)上稍作改變就能識別多種開關動作,。
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