系统中采用了2片SRAM，以乒乓方式工作，一片在写入视频数据的同时，另一片读出数据送入VGA接口单元。当其中一片SRAM写完一帧数据后，帧存控制模块会产生一个转换信号，输出互补的读允许SRAM_RD和写允许信号SRAM_WR，控制2片SRAM切换工作，从而实现视频数据的实时连续处理。
帧频的转换是通过复制帧实现的。PAL制式的信号每秒25帧，VGA显示器工作场频是每秒60帧，帧频比为5:12。要转换为能够满足每秒60帧要求的视频信号，最简单的办法就是复制帧。在本设计中每5帧做一次频率放大，第一帧、第三帧传输3次，其余各帧传输2次[3]。由于RTS0信号的上升沿表示新帧的起点，所以可以利用RTS0信号触发一个序列发生器，产生对SRAM读操作次数的控制。
2.3 VGA接口单元
VGA接口单元由2个模块组成：VGA时序驱动模块，用于产生VGA正常工作所需的时序信号，包括60 Hz扫描时钟VGA_CLK、场同步信号VS和行同步信号HS；VGA信号转换模块，用于接收SRAM中的YUV信号并将其转换成RGB信号，并根据 VGA的扫描时序将RGB信号通过DAC，最后送入VGA显示器。
2.3.1 VGA时序发生模块VGA_SHIXU
VGA时序发生器遵循VGA工业标准，即640 Hz×480 Hz×60 Hz模式，行同步HS和场同步VS信号的头脉冲是负脉冲，所要求的频率有：像素输出频率为25.175 MHz，行频为31469 Hz，场频为59.94 Hz。VGA水平时序中，每行包括800像素点，其中640像素点为有效显示区，160像素点为行消隐区。VGA垂直时序中，每场有525行，其中480 行为有效显示行，45行为场消隐区。时序发生器接收外部输入50 MHz时钟信号，利用模为800的行点数计数器cnt800完成行扫描时序，模为525的场行数计数器cnt525完成场扫描时序。cnt800对经过 PLL分频得到的25 MHz时钟进行像素计数，并在每次计数值清零前生成一个脉冲L_STATUS，cnt525对L_STATUS进行场行数计数。系统复位时，同步信号 HS、VS为1，计数器全部清零；帧存控制单元的写VGA信号VGA_WR有效时，将HS、VS拉低电平，cnt800开始计数。程序中对cnt800的计数值进行判断，当为95时（行消隐前肩）将L_STATUS置1，为143时将640 B的RGB信号送入VGA显示器，计满后再次拉低HS信号和L_STATUS。当cnt525的计数值为1时（场消隐前肩）将VS置1，为35时场同步输出，允许输出HS信号。行、场消隐的逻辑与即为复合消隐信号，连同行、场同步信号便产生了VGA接口的时序信号[3]。
2.3.2 VGA信号转换模块VGA_COV
VGA信号转换模块将输入的PAL制式的YUV(4：2：2)信号转换成RGB信号。首先对数据采集单元截获的 YUV(4：2：2)视频数据进行插值，得到YUV(4：4：4)视频数据(如图6所示)，将一个像素点的数据YUV(如U0Y0V0)合并为独立并行的 24 bit数据，进入色彩转换单元VGA_COV后再经过程序计算来进行色度空间变换，获取并行输出的RGB（8:8:8）值。色彩空间变换公式如下：
计算结果均除以1 024(即右移10位)，即可得到RGB的值[4]。对输出的RGB(8:8:8)取高位获得RGB（5:6:5），通过D/A转换器送入VGA显示器。
3 仿真与性能分析
3.1 部分仿真波形
SRAM写入第一行数据的仿真波形如图7所示。当RTS1=1(奇场)时，在行有效信号有效后，模为1 440的行计数器tempp开始计数；在计数值tempp为40时，应该提取到有效数据流中A8 A9 AA AB AC AD AE……计数值为48时，视频数据开始将双字节的视频数据写入SRAM中，如A8 A9， AA AB， AC AD……。
3.2 系统性能估算
为了保证系统的实时性，一行有效视频数据的存储必须在下一行数据到来之前完成。本系统中，存储一行有效视频数据以及格式调整等需要占用1 288个系统时钟。SRAM的最高时钟频率可以达到125 MHz，则存储一行视频数据所需的时间T1＝1 288/125＝10.304 ns。一行视频数据中的消隐期和无效数据占用448字节时间，输出的像素时钟为27 MHz，则消隐期和无效数据所占的时间为T2＝448/27=16.592 ns。由于在行消隐期和无效数据所花费的时间T2大于存储一行视频数据所需的时间T1，因此完全可以在行消隐期实现一行视频数据的实时存储，满足实时数据处理的要求。
本设计在QUARTUSⅡ8.1环境下进行综合验证，其顶层设计采用原理图设计方式，各模块采用VHDL语言设计，共使用了364个LE，程序下载到 FPGA芯片进行仿真验证，很好地实现了实时视频监控的功能。在本设计的基础上稍加改动即可实现可变分辨率的视频图像采集与处理系统。
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本文关键字：数据采集 DSP/FPGA技术，单片机-工控设备 - DSP/FPGA技术
