第8章 图像处理电路设计基础,8.1 视频AD设计 8.2 视频DA设计 8.3 FPGA设计 8.4 DSP设计 8.5 LCD接口设计 8.6 VGA接口设计 8.7 存储器接口设计 8.8 FLASH接口设计,8.1 视频AD设计,CVBS信号采集 VGA信号采集 分量信号采集 红外视频信号采集,模拟视频信号格式,1 CVBS信号Composite Video Broadcast Signal或Composite Video Blanking and SyncCVBS是一种被广泛使用的标准，也叫基带视频或RCA视频，主要有NTSC、PAL制和SECAM制。美国、加拿大等用NTSC制，欧洲、中国等用PAL制。它以模拟波形来传输数据，复合视频包括色差和亮度信息，并将它们同步在消隐脉冲中，用同一信号传输。,模拟视频信号格式,PAL制模拟视频 逐行扫描与隔行扫描 PAL制为25帧/秒、奇偶场合为一帧，每帧图像为625行，每场为312.5行。每行周期64微秒，即行频为15625Hz。标准的数字化视频为720*576像素/帧。 NTSC制为29.97帧/秒，每帧525行，标准的数字化视频为720*480像素/帧。 行同步与场同步 行消隐与场消隐 开槽脉冲与均衡脉冲,模拟视频信号格式,模拟视频信号采集,1 CVBS信号采集 （1）用普通AD采集只能采集亮度信号（形成灰度图像），不能采集彩色信号。优点是可以达到更高的采样精度。,同步分离 EL4583,锁相倍频 EL4584,采样控制 CPLD或FPGA,缓存 FIFO或DPRAM,HS,CLK,VS,FS,CVBS,ADC,模拟视频信号采集,（2）专用视频AD采集主要有AD公司的ADV718、Philips公司的SAA71、TI公司的TVP51等。专用视频AD内部集成了同频分离、亮度与色度信号分离、AGC控制、梳状滤波器等。一般都同时兼容PAL、NTSC、SECAM三种制式。,模拟视频信号采集,2 VGA信号采集 （1）普通AD采集,锁相倍频 EL4584,采样控制 CPLD或FPGA,缓存 FIFO或DPRAM,HS,CLK,VS,ADC1,ADC2,ADC3,R,G,B,模拟视频信号采集,（2）专用AD采集如TI公司的TVP7002。内部集成了三路AD、锁相倍频、放大器、RGB转YUV等，可直接采集普通的CVBS信号，还能直接采集高清格式的720p、1080p以及VGA等模拟信号。,模拟视频信号采集,3 S-Video与分量视频信号的采集可采用普通AD采样，同CVBS信号的采集，只是需要两路或三路AD。也可采用专用AD采集，如TVP7002、ADV7441A等。,模拟视频信号采集,4 红外视频信号采集,采样控制 CPLD或FPGA,缓存 FIFO或DPRAM,ADC,红外 探测器,CLK,INT,DataValid,DAC,Gpol,8.2 视频DA,主要有两类视频DA： 自带时序产生器，可以是CVBS信号，也可以是VGA信号，具体时序由I2C总线配置寄存器实现。因此，必须有I2C接口。可以由FPGA实现I2C接口，也可以由带I2C接口的DSP控制。 不带时序产生器，控制时序由外部产生，如FPGA或CPLD。因此，必须外接FPGA。,自带时序产生器的视频DA,不带时序产生器的视频DA,8.3 FPGA设计,FPGA电路设计的关键部分： 配置电路：设计出错则完全无法调试； 时钟电路： 输入时钟均需接到FPGA专用时钟管脚，对于不需要倍频且频率较低的时钟，可接到FPGA普通IO脚； 经FPGA的PLL产生的时钟，如果要输出到其他器件的时钟管脚，则需由PLL的输出时钟管脚输出。 参考电压管脚及IO电压：当某个BANK接特殊电平标准时，需要注意IO电压是否接到正确的电压上，如果是像DDR、DDR2、DDR3等SSTL电平标准，则需要注意参考电压管脚是否连接正确。 高速IO管脚：当电路中有高速IO接口时，如RapidIO、千兆以太网、RocketIO、PCIe等，需要注意高速IO脚及其供电电路的连接。,8.3 FPGA设计,FPGA普通IO脚连接 由于FPGA是可重构的，普通IO脚功能都差不多，可以随便连接。一般在FPGA的IO脚分配时，以便于PCB布线为原则。但是有以下几点需要注意： 接DDR存储器与接LVDS差分信号的管脚一般分布在不同BANK，而且DDR类器件的DQ管脚、DQS管脚、DM管脚、地址与控制管脚一般要接在FPGA的特殊管脚上，在设计DDR类器件接口时要特别注意，管脚不可随意分配。 同一组数据总线最好接在同一个BANK，不要跨BANK连接。 不同IO接口电压的器件不可跨BANK连接。 有些管脚是复用管脚，有些管脚只能做为输入或输出，一定要注意。,8.4 DSP设计,CPU、DSP、ARM、PowerPC、单片机的比较 PC机的CPU用于桌面计算机，对功耗没有限制，主频高、性能强，但是实时性较差，主要与操作系统有关。 DSP、ARM、PowerPC、单片机均用于嵌入式系统，主要有以下区别： DSP内部集成硬件乘加器，有多个执行单元，专用于各种数字信号处理； ARM功耗低、接口丰富、应用广泛，可安装较多的操作系统，如手机的各种操作系统，一般用于智能设备； PowerPC的运算性能与功耗介于ARM和DSP之间，有些PowerPC的性能和功耗甚至超过DSP，也可安装不同的操作系统，如Linu、VWORKS等； 单片机功能最弱，但是价格便宜，一般用于各种简单的控制系统中。,DSP系统与PC机对比：,PC机组成 DSP系统组成主板 电路板 CPU DSP内存 各种RAM硬盘 FLASH显示器 LED、LCD或监视器鼠标键盘等 各种按键,DSP与CPU对比：,选择时应考虑的因素:DSP CPU主频 =3G缓存大小 =8M =12M型号 C、TS等 奔腾、酷睿等生产厂商 TI、AD Intel、AMD,TI公司DSP选型,1.TMS320C2000系列：主要用于工业控制，其中C24速度为2040MHz，C28速度为100150MHz； 2.TMS320C5000系列：低功耗系列。在音频处理和通信方面用得较多。其中C55功耗最低，速度可达300MHz；而OMAP系列为双核CPU，包括一个C55的核和一个ARM9的核； 3.TMS320C6000系列：高性能系列，目前最高的是C6678，内部含有8个C66的核，主频可达1.25G；其次是C64系列，最低的是C62系列；C67为浮点DSP。 达芬奇系列：专用于视频处理，片上带有专门的图像/视频处理模块，如图像采集、图像缩放、图像压缩、图像显示、画中画、直方图处理等。,从应用上来分,C6000系列DSP主要外设,EMIF（注意各种存储器的区别） HPI、PCI、BUS MCBSP、MCASP、UART TIMER DMA、EDMA VP EMAC、MDIO I2C GPIO VCO、VCP、TCP、UTOPIA,DSP最小系统,时钟源及PLL外围电路 复位电路 译码电路 存储器 JTAG 电源 初始化上下拉电阻,需要进行初始化上下拉的管脚,1. BOOT模式 2. Endian模式 3. 时钟模式 4. EMIF时钟选择（对C61而言） 5. 部分JTAG管脚和保留管脚 6. 复用管脚的功能选择 7. NMI、ARDY、HOLD、HCS、HOLD、RDY、CS等 不同的DSP，初始化管脚不一样，请参见各自的DataSheet,DSP总线设计,数据总线和地址总线最好接上33欧姆左右的电阻排，一方面起到阻抗匹配的作用，一方面便于调试时测量信号，还有就是当设计有错误时方便飞线。当总线上挂接的器件较多时，最好用驱动芯片(244或245)将同步器件和异步器件隔离开。如下：,总线,同步器件1,同步器件2,同步器件n,驱动,异步器件1,异步器件2,异步器件n,多DSP互连,如果单片DSP不满足速度要求，就需要多片。多片DSP可以并行处理也可以串行处理。如果DSP之间需要传输的数据量不大，可以直接用McBSP、HPI、UTOPIA等接口进行通信，如果数据量较大，则需要使用双口RAM或FIFO。TI公司新推出的C6455含有一组RapidIO，另外该DSP还可以直接接DDR2 SDRAM。RapidIO可以用于两片DSP之间进行高速通信。而AD公司的DSP含有4个或6个Link口，比较适合多片扩展。,1.串行处理2.并行处理,多DSP互连,DSP1,DSP2,DSPn,输出,输入,DSP1,DSP2,DSPn,控制,输出,输入,与PC机的接口,1.USB 2.PCI 3.串口（注意同步串口与异步串口的区别） 4.并口 5.网口 6.与PC机接口时，需要三方软件：固件程序、驱动程序、应用程序。,8.5 LCD接口,视频显示器件 CRT LCD PDP OLED DLP,数字显示器件,CRT 最早的显示器 刷新率高、可视角度大、响应快 某些区域可能出现聚焦不良或散焦，存在色彩漂移，体积大，重量大,数字显示器件,LCD 第二代显示器 体积小、重量轻 反应速度慢、容易有残影或拖尾、容易有坏点、容易有偏色,数字显示器件,PDP（等离子显示器） 与CRT相比：体积小、重量轻、屏幕亮度均匀、不受磁场影响、不存在聚焦问题 与LCD相比：亮度高、色彩好、灰度丰富、响应速度快、视角大 容易与大规模集成电路集成，工艺方便，结构简单 缺点：功耗大，需要多组风扇来散热,数字显示器件,OLED （有机发光显示器） 目前比较流行的显示器 发光原理与LED相似 分为PMOLED和AMOLED 优点： 薄膜化全固态器件，无真空腔，无液态成分 亮度高、视角宽（左右视角超过160度） 响应快，响应速度为微秒级，是LCD的1000多倍 易于实现全彩色 低功耗、工艺简单、成本低 可以-4085度范围内工作,数字显示器件,DLP（数字光处理） 用于投影 采用TI公司开发的数字微反射器镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）完成数字信息的显示,视频显示系统,CRT显示器一般采用VGA接口，需要将数字信号变为模拟信号再显示。R、G、B三个模拟信号，VS和HS为数字信号。 有两种不同的DA可以接VGA显示器： 一种是可以不用FPGA，由DSP通过I2C接口给DA的寄存器配置行周期、帧周期等，DA自己产生行同步和帧同步。 另一种没有I2C接口，直接由FPGA产生行同步和帧同步。,视频显示系统,LCD与OLED显示 两者接口基本相同 有三种接口形式： （1）与CRT相同接口（VGA），需要驱动板； （2）数字接口（带行同步、帧同步、RGB数据）； （3）数字接口（与CPU接口）。,8.6 VGA接口设计,VGA接口由以下信号组成 HS：行同步，数字信号； VS：帧同步，数字信号； DGND：数字地； R：红色分量，模拟信号； G：绿色分量，模拟信号； B：蓝色分量，模拟信号； AGND：模拟地； 地址码、测试信号：一般用于测试，常规情况下不用。,2 VGA信号,VGA信号,