一种多路图像采集系统的软件设计

工业现场因为环境复杂，实时性要求高，常常需要对一处或多处重要位置同时进行监控，且能够在需要时切换其中一幅画面全屏显示。这就要求设计一种实时视频监控系统，既能够满足工业现场应用的特殊环境，具有体积小、功耗低、可定制的特点，又能够对多点进行同时采集和同屏显示以及对其中的一路进行切换。

国内现有的视频监控方案一般是采用CCD摄像头
摄像头

摄像头是一种输入器件，是用来组成电脑或其他机器的视觉系统的重要部件。摄像头如今已成为人们日常沟通，视频会议，安防监控和远程医疗等活动不可或缺的器材之一。 [全文]

+视频解码芯片（如SAA7113H／ADV7181B）+FPGA
FPGA
　　现场可编程逻辑门阵列（FPGA, Field Programmable Gate Array），是一个含有可编辑元件的半导体设备，可供使用者现场程式化的逻辑门阵列元件。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编辑器件的基础上进一步发展的产物。 [全文]

／CPLD+DSP
DSP
　　dsp是digital signal processor的简称，即数字信号处理器。它是用来完成实时信号处理的硬件平台，能够接受模拟信号将其转换成二进制的数字信号，并能进行一定形式的编辑，还具有可编程性。由于强大的数据处理能力和快捷的运行速度，dsp在信息科学领域发挥着越来越大的作用。 [全文]

的模式实现，其中视频解码芯片用来对CCD摄像头采集的模拟信号进行AD转换，FPGA／CPLD对数据采集进行控制，DSP最终对数据进行处理。这种方法开发周期长，成本高，且可更改性差。

本文介绍的系统主要由两片Altera公司的CycloneⅡ系列的EP2C8Q20818和飞利浦公司的视频解码芯片SAA7113H以及外存储器
存储器

存储器是用来存储程序和数据的部件，有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。它根据控制器指定的位置存进和取出信息。 [全文]

件SRAM等组成。两片FPGA分别完成前端图像的采集和后端数据的处理，视频解码芯片完成模拟信号向数据信号的转换，存储器件在FPGA的控制下起到数据缓存作用。

1 系统描述

系统主要分为采集模块、解码模块、数据格式转换模块、存储模块、UART模块和LCD／VGA显示模块
显示模块

用于显示数据的模块。 [全文]

，如下图1所示。四片视频解码芯片在FPGA1的控制下通过I2C总线
总线
　　总线是将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。通俗的说，就是多个部件间的公共连线，用于在各个部件之间传输信息。人们常常以MHz表示的速度来描述总线频率。 [全文]

完成配置和初始化过程，输出8位与CCIR656兼容的YCrCb 4：2：2格式的视频数据，同时还包括行同步HS、场同步VS和奇偶场RTS0等信号。由于显示终端支持的是标准的RGB格式的数据，所以要对视频解码芯片输出的YCrCb 4：2：2格式数据进行转换。经转换所得的RGB数据在FPGA2的控制下，配合相应的时序信号，截取要显示的有效的640x480个像素，乒乓存入两个SRAM中，并最终在：LCD ／VGA显示模块的控制下将数据显示在屏幕上。UART通讯模块集成在FPGA里，通过PC机的串口
串口
　　串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备的通信协议，并可用于获取远程采集设备的数据。 [全文]

发送相应的控制命令，FPGA接收后切换相应通道的画面。

图1 系统结构图

2 系统软件结构

系统软件主要由采集模块、解码模块、存储模块、显示模块和UART模块组成，软件结构如图2所示。

图2 软件结构图

3 ITU656解码

ITU656解码模块根据ITU656标准将4：2：2的数据流解码成ITU656标准视频流。ITU656并行接口除了传输4：2：2的YCbCr视频流外，还有行、场同步所用的控制信号。PAL制式的图像一帧有625行，每秒扫描25帧；每行数据由1128字节的数据块组成。其中，PAL制式23～311行是偶数场视频数据，312～552行是奇数场视频数据，其余为垂直控制信号。

图3为ITU656每行的数据结构。每行数据包含水平控制信号和YCbCr视频数据信号。视频数据字是以27兆字／秒的速率传送的，其顺序是：Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y，Cr，…其中，Cb，Y.Cr这3个字指的是同址的亮度和色差信号取样，后面的Y字对应于下一个亮度取样。每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV信号（有效视频结束），紧接着280个固定填充数据，最后是4字节的SAV信号（有效视频起始）。

图3 ITU656每行的数据结构

SAV和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置及如何区分SAV、EAV。在每个时钟的上升沿读取从解码芯片传来的8位数据。当检测到一行数据的开始标志FF0000XY时