??一、 引言 ??隨著計算機的廣泛使用，對輸出的VGA信號進行實時監控、存儲及傳輸的應用需求越來越迫切。本文基于Ti公司的TMS320DM355處理器（簡稱DM355）、AD公司的AD9883芯片，結合FPGA技術，提出了一種支持分辨率較高、性能優良的視頻信號采集和接口電路方案。 ??該系統對計算機輸出的XGA（1024x768）信號進行實時采集、編碼、傳輸，同時利用ADV7123芯片將VGA信號還原，在本地的顯示器進行輸出，主要應用于視頻會議，視頻教學系統中。由于VGA信號的采集涉及到AD9883［1］ ［2］芯片和FPGA中信號時序的轉換，及DM355的視頻處理前端（VPFE：Video Processing Front End）驅動的修改，比較復雜，本文將對此作重點闡述。 ??二、 系統整體設計 ??1． 方案選擇 ??本文采用TI公司的達芬奇系列芯片TMS320DM355來實現，這一方案的優點在于： ??1）DM355內部集成了ARM926EJ-S內核、協處理器（MJCP）、視頻處理子系統及多種外設。ARM中移植嵌入式linux后可構成一個良好的基于網絡的嵌入式產品開發平臺，能方便的實現Web服務器的構建和功能的擴展。協處理器（MJCP）可實現對多媒體數據的編解碼。 ??2）DM355是一款低功耗的芯片，待機功耗僅為1mW，其電池的使用壽命是當今業界相當的便攜式產品的2倍。 ??3）DM355是TI公司的一款中低檔芯片，在滿足性能要求的同時，其價格與同類芯片相比也很有優勢。因此，廣泛應用于數碼相機，IP攝像機，數碼相片，醫學成像及視頻監控系統中。 ??DM355的視頻處理子系統包括視頻處理前端（VPFE）和視頻處理后端（VPBE：Video Processing Back End），視頻處理前端［3］用于接收外部傳感器或視頻譯碼器等輸入的圖像信息，由CCD控制器、硬件圖像信號處理器、自動曝光/聚焦模塊H3A和寄存器組成，支持的視頻輸入格式有如下三種： ??1） RAW格式。 ??2） BT.656格式。 ??3） YUV格式。 ??其中，RAW格式對于每個像素點只存儲RGB三原色中某一種顏色的值，在進行色彩還原時因插值運算會導致莫爾紋效應；BT.656格式支持的視頻分辨率太低，因此，本系統的DM355處理器的視頻處理前端采用YUV格式進行視頻采集，須將VGA信號通過硬件電路轉換為YUV信號格式。 ??2． 系統總體設計 ??圖1所示為VGA視頻采集系統框圖。 ?? 圖1 VGA視頻采集系統框圖 ??1）VGA輸入模塊。將RGB模擬信號及行同步信號（Hsync）、場同步信號（Vsync）輸入給A/D轉換模塊。由于該模塊由模擬電路組成，易產生噪聲，因此布線時接口器件應盡量靠近A/D轉換芯片。 ??2）A/D轉換模塊。首先根據行、場同步信號確定采樣的行頻和場頻，接著由行頻和內部寄存器確定像素同步時鐘，然后通過配置AD9883芯片內部的鎖相環（PLL）產生同步時鐘。該模塊可將輸入的VGA模擬信號轉換為8bit×3路的數字視頻信號，并通過一系列寄存器調整圖像的采樣效果。 ??3） FPGA轉換控制模塊。一方面FPGA通過I2C總線向AD9883的寄存器寫入控制信息；另一方面將輸入的RGB信號轉換為DM355支持的YUV信號格式，將視頻信號送給DM355的視頻采集前端。 ??4）D/A輸出顯示模塊。該模塊采用ADV7123芯片將8bit×3路RGB數字信號還原為模擬信號，并結合行、場同步信號構成VGA信號，供本地計算機顯示輸出。 ??三、 系統硬件設計 ??1．VGA接口 ??VGA是一種D型接口，可傳輸VGA，SVGA，XGA，SXGA等圖像格式。VGA接口共有15條線，分為3組：一是RGB三色模擬信號輸入線；二是RGB三色地線，接地處理；三是時序信號線，分別是行同步信號線（Horizon Synchronizing，HS）和場同步信號線（Vertical Synchronizing，VS），這兩條線控制了VGA的顯示時序。 ??顯示器采用逐行掃描的方式進行掃描，陰極射線槍發出的電子束打在涂有熒光粉的屏幕上，產生RGB三基色，由此合成一個彩色圖像。VGA顯示可分為行掃描和場掃描，從屏幕左上方開始掃描，從左到右，由上至下。每行掃描結束時，用行同步信號進行行同步；當整個屏幕的所有行掃描結束后，用場同步信號進行場同步，如圖2所示。在掃描過程中，CRT對電子束進行消隱控制，在消隱過程中不發送電子束。在每行結束后，電子槍回掃的過程進行行消隱；在每場結束后，電子槍回掃的過程進行場消隱，整個屏幕變黑，光柵在這段內重新回到屏幕的左上角，開始下一幀圖像的掃描。 ?? 圖2 VGA掃描時序 ??2． A/D轉換模塊 ??本系統的A/D轉換器采用AD9883，該芯片專門用于采集模擬R，G，B信號，將其數字化顯示或作為中間轉換器件使用。該芯片具有采樣精度為8bit×3路通道，最高采樣率為140MSPS/s，300MB的模擬帶寬，支持最高分辨率為SXGA（1280x1024），刷新率為75Hz的視頻信號。基于AD9883的電路可為高清電視提供良好的接口，或作為高性能視頻設備的前端掃描轉換器，它的內部結構如圖3所示，主要包括A/D轉換電路、時鐘產生電路、同步信號產生電路、I2C總線接口四個部分。 ?? 圖3 AD9883的內部結構圖 ??AD9883內部的寄存器通過I2C總線完全可編程，芯片按照寄存器設定的模式進行工作。如AD9883支持多種VGA格式，但不能自動檢測實現自適應，需要通過I2C接口進行寄存器配置，指定芯片采集的視頻格式。 ??經AD9883轉換后，數字視頻信號輸出的時序如圖4所示。在數據輸出時鐘DATACK的下降沿對應信號的采樣及量化，量化的數據在時鐘上升沿穩定的輸出；接口電路可在DATACK的上升沿準確地鎖存圖像數據，從而實現數字化圖像的采集。值得注意的是，AD9883有一個數據輸出通道，在輸出數據有效之前必須清空通道，從而導致每行輸出有效數據之前將輸出4組無效的數據，可通過行同步信號HSOUT避免輸出這些無效數據。 ?? 圖4 AD9883數據輸出時序圖 ??3．FPGA設計 ??本系統采用EP1C3T144C8將輸入的數字化的RGB信號轉換為YUV信號，送給DM355的視頻采集前端。FPGA以AD9883輸出的像素時鐘PCLK作為全局同步時鐘。 ??RGB和YUV是兩種常用的色彩空間。RGB色彩空間是采用R，G，B三個色彩分量來表示一個像素，常見的RGB格式有RGB565、RGB555、RGB24，本文中AD9883轉換輸出的數據格式為RGB24，即每個像素用24位表示，RGB分量各使用8位。 ??YUV色彩空間是視頻傳輸中常采用的一種方法，其特點為亮度信號與色差信號分離。Y表示亮度信息，U表示藍色色差（即藍色信號與亮度信號的差值），V表示紅色色差（即紅色信號與亮度信號的差值）。常見的YUV格式有YUV 4:4：4，YUV4:2：2，YUV4:2：0，本系統中DM355的視頻處理前端接收的采集信號格式為YUV4:2：2。該格式為每個像素保留Y分量，而UV分量在水平方向上每兩個像素采樣一次，在圖像數據流中，YUV分量排列如下：Y0 U0 Y1 V0 Y2 U1 Y3 V1 Y4 U2 Y5 V2 … …