基于FPGA的视频监控系统中多画面处理器的设计

2.4 D/A转换及输出缓冲放大

D/A转换电路将FPGA输出的数字视频信号转移成模拟视频信号，然后经过缓冲放大输出给监视器，D/A芯片选HI1171。该芯片是一种分辨率为8位，频率为40MHz的高速D/A转换器，其最大积分和微分线性误差分别为1.3LSB和0.25LSB；最小建立时间仅为5ns，在单5V下工作，功耗只有80mW。输出缓冲放大由分立元件组成。

2.5 单片机

单片机选日本NEC公司的μPD78F0034，该芯片的主要特点是：

·时钟为8.38MHz时的指令周期为0.24μs；

·ROM为32KB FLASH,RAM为1024bytes；

·可寻址空间为64KB，5个外部中断，15个内部中断；

·39个CMOS I/O，8个COMS INPUT，4个N-CH漏极开路I/O；

·1个16位定时/计数器，2个8位定时/计数器；

·1个时钟定时器，1个看门狗定时器，1个UART端口；

·支持I2C总线，有时钟信号及蜂鸣信号输出功能；

·外部数据总线8位，内部寄存器为16位；

·有8位无符号乘法指令，16位除法指令；

·工作电压范围为1.8V～5.5V，有STOP/HALT工作模式。

由此可见，该芯片的性能要优于目前流行的MCS-51系列，其8位无符号乘法指令及16位除法指令给软件编程带来了很大的方便。另外，由于该芯片本身带看门狗定时器，因而无需外加看门狗电路，就能保证系统稳定、可靠地工作。

2.6 存储器

存储器芯片采用串行EEPROM芯片X24C16。该芯片是容量为2KB带写保护的I2C总线数据存储器，当WP=1时，只能读，不能写数据。它使用串行数据线(SDA)和串行时钟线（SCL）进行主从器件之间的数据传输。I2C总线上的数据传输率可达100Mbps，快速方式下可达400Mbps。在I2C总线传输中，开始和停止条件定义如下：当SCL为高时，SDA由高变低为开始条件；当SCL为高时，SDA由低变高时为停止条件（如图3(a)所示）。SDA和SCL都是双向传输线，SDA线上的数据在时钟为高期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的状态才可以改变（如图3(b)所示）。输出到SDA线上的每一字节必须是8位，每次传输的字节不受限制，每字节必须有一个应答位。本设计中X24C16的第5脚（SDA）和第6脚（SCL）分别接单片机的P3.6和P3.7。

2.7 时钟和字符叠加电路

时钟芯片选串行时钟DS1302。该芯片是一种高性能、低功耗且带RAM的实时时钟芯片，它有如下主要特性；

·实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月、年进行计数，且有闰年补偿功能，直至2100年；

·用于数据暂存的31B NV RAM，简单的三线接口，TTL兼容；

·用于时钟或RAM数据读/写的连续多字节数据传送方式；

·8引脚DIP或用于表面贴装的8引脚SOIC封装；

·工作电压为2～5.5V，温度为-40℃～85℃。

字符叠加电路由NEC公司μPD6453组成。该芯片可在屏幕上显示12行、每行24个字符、每个字符为12×18点阵。字符的大小、闪烁频率可以根据需要进行调整，屏幕的背景色、字符的边缘色以及字符本身的颜色也可以修改。该芯片内部除固化了191个日文、英文字母和数字等字符的字模以外，还固化了49个汉字（如年、月、日、时）的字模；另外该芯片提供16个字符的RAM空间，供用户填入自定义字符。由于画面处理器不需要叠加太多的不同字符，因而本设计不外加汉字字库，这样既节省了成本和线路板的空间，又简化了电路结构。μPD6453所需的行、场同步信号及时钟信号均由FPGA提供。单片机通过串行数据传输将一系列命令（包括所要显示的字符或汉字、字符大小、字符的间距、字符的属性）送往μPD6453，μPD6453收到命令后再将所要显示的字符或汉字等信息送至FPGA。

2.8 视频信号切换电路

该电路由MAX440组成。MAX440是一种内含宽带视频放大器的高速多路视频选择开关，可输入8路视频信号，输出为1路视频信号。在单片机的控制下，输出可与8路视频输入中的任一路相连。该芯片的主要特点如下：

·带宽为110MHz；微分增益为0.04%，微分相位为0.03度；

·开关切换时间为15ns，转换速率为370V/μs；

·开/关时的输入电容为4pF，无需外接补偿元件。

2.9 报警信号的接收及处理

由单片机直接完成，无需经过FPGA。当有报警发生时，单片机收到报警信息，发出命令使蜂鸣器件发出警报声，同时通知FPGA和μPD6453使对应的画面闪烁并出现“报警”字样。

3 FPGA器件XCS05XL的编程实现原理

所谓编程就是利用单片机μPD78F0034将事先设计好的数据通过某种方式装入XCS05XL中，以确定XCS05XL内部的CLB和IOB的功能以及布线通道的连接方式，数据的写入只在编程过程中完成。在正常工作期间，存储单元只用来提供固定的控制信号，编程存储单元以阵列形式分布在XCS05XL中。每个CLB有几百个编程数据位，每个编程数据位定义了一个静态存储单元的状态，该存储单元可以控制一个逻辑函数查找表位、一个数据选择器输入或一个互连开关晶体管。Xilinx开发系统可以将逻辑设计转换成网络表文件，它自动将逻辑电路分区、设置和布线，以PROM格式产生编程数据，并将数据存入PROM中。XCS05XL有三种编程模式：从串模式、主串模式和快速模式。编程开始前，芯片会自动检测M1和M2脚以确定编程模式，编程结束后，这些脚就没有用了。当M1和M2脚为高电平时，选从串模式，这也是目前最常用的一种编程模式。实际上，此时M1和M2脚可悬空。如果要选择主串模式，则M1和M2脚必须与相连或通过1k℃的下拉电阻接地。

图4所示为μPD78F0034单片机对FPGA器件XCSO5XL装载编辑数据的示意图。XCS05XL的编程模式选从串模式，因而其M1、M2脚悬空（即相当于接高电平）。XCS05XL的编辑数据存储在单片机的FLASH ROM里，上电复位后，单片机通过P30脚将数据串行传送到XCSO5XL中。XCS05XL所需的编程时钟（CCLK）信号由单片机产生，在每个CCLK的上升沿，XCS05XL通过DIN脚接收输入数据。
4 软硬件设计时要注意的几个问题

（1）使用帧存储器AL422应注意的问题

·由于帧存储器AL422是FIFO DRAM,因而须确保WCK和RCK信号始终有且信号的频率不低于1MHz，因WCK和RCK中频率较高者将作为DRAM的刷新时钟信号。

·在AL422的/RRST信号的上升沿，/RE信号不能为低，这一点在确定FPGA的编程数据时要特点注意（因/RRST和/RE信号均由FPGA提供）；

·AL422可在5V或3.3V电源电压下工作，当使用5V电源时，其DEC脚（Pin19）须接2.2μF的去耦电容；当使用3.3V电源时，DEC脚（Pin19）可直接与3.3V相连，并通过0.1μF电容旁路到地；电容均使用钽电容。由于使用3.3V时，器件功耗低，且受噪声干扰小，因而在本设计中采用了3.3V电源对AL422供电。

(2)为避免视频信号之间的串扰，各种模拟视频信号间均用较粗的地线隔开，且视频走线足够宽。

以上介绍了黑白四画面处理器的设计。为了节省线路板空间并使产品小巧玲珑，所有的元器件及IC芯片均选用贴片式封装。鉴于篇幅的限制，本文没有讨论多画面处理器软件方面的设计。至于9画面和16画面处理器的设计，其设计思想及组成方框图与该4画面处理器相类似，只不过要增加A/D、AL422及FPGA，软件编程也复杂一些。