基于PCI ExPress实时视频采集系统的设计

2011-04-04 09:34:05来源: 21IC
   

视频采集系统在工业领域应用广泛,随着多媒体技术的快速发展,对视频采集、处理和传输性能的要求也不断提高,如高采集速度、低功耗、抗干扰性、实时性及扩展性等。这里提出了以Virtex-5为核心,由ADV7188为视频解码器,PCIExpress为传输总线组成的集视频采集、压缩、传输于一体的多功能视频处理系统。该系统能够实现实时海量传输多路数字视频。Virtex-6支持的PCI Express的×1通道的传输率已达3.2Gb/s。
    由于该系统设计体积小、功耗低且满足工况要求,可应用于公共场合、工厂和井下作业等需多点远距离监控环境较恶劣场所。

1 PCI Express总线简介
    PCI Express是一种主流的串行标准,它是2002年问世的第三代I/O互联技术,为从PCI到PCIX提供了一条升级路径。PCI Express是PC产业的标准互联技术,具有可升级能力,可扩展的功能集,很强的市场适应能力和低成本等特性。其高速串行标准能以每条通道2.5 Gb/s的线速进行双向通信,分层数据包的架构有助于模块化设计。通过更简单的升级就能实现带宽增强(高达80 GB)——1、2、4、8、16和32条通道。PCI Express的先进功能,比如可靠性、电源管理和热插拔,借助虚拟通道、业务等级和服务质量(QoS)等特性支持下一代三维/多媒体业务。

2 系统硬件设计
   
该系统设计采用视频解码器+FPGA,其功能是接收PAL等制式模拟视频信号,转换为满足ITU-R BU.656格式的数字信号,将多路视频打包,经PCI Express总线传输到计算机。
    这里采用ADV7188来采集PAL制式的视频信号,Videx-5的I2C总线控制器通过I2C总线来对其进行配置和控制。选用Virtex-5系列中的XC5-VFX30T,此器件具有强大的处理能力和丰富的外部设备接口,能满足各种不同应用环境的控制与图像输出需要。Virtex-5器件具有视频处理IP核,可以按照使用要求配置,同时具有PCI Express、PPC440等IP核,PPC440在667MHz的时钟主频下,数字处理能力可达到1600DMI/s,内部具有256 KB的SRAM。Virtex-5具有2条I2C接口,多达8条(32 bit)具有主控器的外设总线接口,支持外部、内部和内存间的DMA方式,2条
10/100/100 Mb/s半或全双工以太网接口,图1为该系统设计硬件原理框图。



3 主要组成部分的原理实现
3.1 视频采集处理电路
3.1.1 视频解码器选型

    在选择视频解码器时,主要考虑功能、性能、尺寸、性价比及低功耗等方面,故选择了ADV7188型视频解码器件。该器件具有以下特性:
    可以自动检测到NTSC-M/J/4.43,PAL-M/N/B/G/H/I/D和SECAM制式信号的输入;单一时钟28.636 36 MHz;4路模拟视频12位AD采集;5线自适应梳状滤波;
    降低数字噪声;集成有自适应白电平峰值的自动增益控制器;具有锁定较弱的、噪声和不稳定视频源的设计;12路模拟输入通道;输入视频信号幅度,为0.5~1.5 V;在没有输入视频信号情况下可以自行产生行场同步信号;亮度带宽边缘增强是可编程的;色调、对比度、亮度、饱和度可编程;YCbCr以20/16/10/8位4:2:2形式输出;支持工业标准的I2C接口;电源为+3.3 V,1.8 V;下电模式;采用80引脚,无铅的LQFP封装;工作温度为-40~+85℃。
3.1.2 视频采集电路工作原理
   
视频采集电路是以为ADV7188为核心,采集多路的PAL、NTSC或SECAM制式模拟视频信号,具有增强较弱的模拟视频信号,可进行降噪处理和提高数字视频信号质量的功能。AD7188的详细电路可参见ADV7188的器件手册。由于ADV7188对电源要求较高,该系统设计对电源进行隔离、去耦、低频滤波等处理。为了广泛应用,这里采用频率为28.636 36 MHz的石英晶体谐振器,频差为±20 ppm。图2为视频平装的晶振电路。


    根据PCB布线,Cstray通常为2~3pF,ADV7188器件管脚到电源地的电容值Cpg为4 pF,石英晶体谐振器的负载电容Cload为15 pF。由C1= C2=2(Cload-Cstray)-Cpg可计算出C1和C2的电容值为24 pF,按照E12系列的优选值,选取电容值为22pF。
    设计中利用ADV7188的下电模式,当此片没有模拟视频输入或不需工作时,将其下电,其功耗将由工作时的0.6 W降到1 mW左右,能极大地减少系统待机功耗。

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关键字:PCIExPress  实时视频采集

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0404/article_2015.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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