摘要 給出了某機(jī)載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案，以XC5VFX70T FPGA作為處理器，實現(xiàn)了對DVI及PAL等多種格式視頻信號的解碼、實時處理以及輸出。系統(tǒng)電路設(shè)計簡潔，具有較強(qiáng)的靈活性和擴(kuò)展性。文中介紹了系統(tǒng)的硬件整體架構(gòu)，論證了視頻編解碼模塊和視頻緩存模塊的硬件設(shè)計方案。實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠流暢地對1 600×1 200分辨率，60幀/s刷新率，24位真彩色的高清視頻進(jìn)行處理，對1幀高清視頻的處理時間長不超過3 ms,具有較高的實時性能。

　　隨著科技的高速發(fā)展，飛機(jī)對機(jī)載電子系統(tǒng)提出了越來越高的要求，飛機(jī)性能的改善在很大程度上依賴于機(jī)載電子系統(tǒng)性能的提升。在飛行器機(jī)載電子系統(tǒng)中，顯示系統(tǒng)是飛機(jī)與飛行員進(jìn)行人機(jī)交互的橋梁，它將各種飛行參數(shù)轉(zhuǎn)換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實時讀取這些信息，從而做出判斷。

　　文中設(shè)計了某機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路部分，視頻圖形處理系統(tǒng)是機(jī)載顯示系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于在機(jī)載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統(tǒng)以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA為處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實現(xiàn)了對高清視頻的縮放、格式轉(zhuǎn)換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實時性。

　　1 系統(tǒng)概況

　　1.1 系統(tǒng)需求

　　機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點陣式字符信號，進(jìn)行視頻格式的轉(zhuǎn)換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號。

　　系統(tǒng)接收PAL（Phase Alternating Line,逐行倒相）、DVI（Digital Visual Interface,數(shù)字視頻接口）制式的視頻信號和。PCI-E（Peri pheral Component Interconnect-Express,擴(kuò)展外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）視頻信號，對視頻進(jìn)行縮放、格式轉(zhuǎn)換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。

　　1.2 總體方案設(shè)計

　　結(jié)合系統(tǒng)需求，確定系統(tǒng)的總體設(shè)計方案為：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為處理器，利用其強(qiáng)大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應(yīng)的外部電路，構(gòu)建出一個靈活、簡潔、可靠的機(jī)載視頻圖形處理系統(tǒng)的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX707T中內(nèi)嵌的Power PC 440硬核處理器，在該處理器上移植美國風(fēng)河公司的Vxworks操作系統(tǒng)，通過操作系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)和PCI-E等接口，并在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)相應(yīng)的圖形操作及視頻處理API（Application Programming Interface,應(yīng)用程序編程接口）函數(shù)，用戶的應(yīng)用程序通過調(diào)用API函數(shù)來構(gòu)建終的視頻輸出。

　　2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計

　　2.1 硬件整體架構(gòu)

　　根據(jù)設(shè)計要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應(yīng)用而開發(fā)的。處理器內(nèi)置主頻550 MHz的PowerPC440內(nèi)核、PCI-E端點和以太網(wǎng)等模塊。系統(tǒng)硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　2.2 視頻流圖

　　系統(tǒng)主要用于接收、處理并發(fā)送各種視頻信號，系統(tǒng)中視頻的流圖如圖2所示。由圖中可知，系統(tǒng)能接收1路DVI視頻，4路PAL視頻和1路PCI-E視頻，視頻經(jīng)過專門的解碼器后，由FPGA對它們進(jìn)行處理，然后通過相應(yīng)的視頻編碼器輸出視頻信號。

圖2 系統(tǒng)視頻流向圖

　　2.3 DVI視頻編解碼模塊設(shè)計

　　系統(tǒng)的DVI視頻解碼采用TI公司的DVI解碼芯片TFP401實現(xiàn)，該芯片滿足DVI1.0規(guī)范，支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻。另外考慮到機(jī)載視頻信號源與DVI接收器之間距離較遠(yuǎn)，長線傳輸時信號的高頻分量比低頻分量衰減得更多，因此在DVI輸入信號解碼前加入均衡器以實現(xiàn)頻譜的均衡化，減小信號失真。系統(tǒng)采用美國國家半導(dǎo)體公司的DS16EV5110實現(xiàn)DVI視頻信號的頻譜均衡化，該芯片可以對DVI視頻信號的每一數(shù)據(jù)通道設(shè)定不同的均衡增益，具有高度的靈活性，可以有效減小信號的碼間串?dāng)_。

　　系統(tǒng)的DVI視頻輸出功能采用TI公司的DVI編碼芯片TFP410實現(xiàn)，該芯片滿足DVI1.0規(guī)范，支持1 600×1 200分辨率，支持24位真彩色視頻。

　　2.4 PAL視頻編解碼模塊設(shè)計

　　為便于PAL視頻信號的長線傳輸，系統(tǒng)采用差分信號傳輸PAL視頻。由于標(biāo)準(zhǔn)的PAL信號為單端信號，因此系統(tǒng)在PAL信號接收端采用美國AD公司的差分接收放大器AD8130來實現(xiàn)差分PAL信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)單端PAL信號，而在PAL信號發(fā)送端則采用AD公司的高速差分驅(qū)動器AD8131實現(xiàn)單端PAL信號轉(zhuǎn)換成差分信號。

　　系統(tǒng)采用AD公司的PAL解碼芯片ADV7184對單端PAL視頻信號進(jìn)行解碼，該芯片具有12個模擬輸入通道，內(nèi)置4個10位ADC,實際解碼后視頻信號支持ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)（YCrCb 4:2:2），經(jīng)色彩空間轉(zhuǎn)換后R、G、B分量均可達(dá)到8位分辨率，即PAL視頻解碼后可達(dá)24位真彩色。

　　系統(tǒng)采用AD公司的PAL編碼芯片ADV7179來實現(xiàn)PAL視頻信號的輸出，該芯片支持ITU-RBT.656標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻輸入，與PAL解碼芯片ADV7184實現(xiàn)了很好的兼容，使得系統(tǒng)對PAL信號進(jìn)行處理較為方便。ADV7179內(nèi)置3個10位DAC,編碼后輸出視頻支持24位真彩色。

　　2.5 DDR2視頻緩存模塊設(shè)計

　　由于系統(tǒng)中需要對輸入的視頻進(jìn)行疊加字符及幀速率轉(zhuǎn)換等處理，因此需要對輸入的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。選擇美國Mierosemi公司的DD R2 SDRAM芯片W3H32M72E-400作為視頻緩存，該芯片存儲容量為256 MByte,傳輸速率為50 MByte·s-1.

　　系統(tǒng)中需要處理的視頻分辨率為1 600×1 200,因此一幀視頻數(shù)據(jù)包含1 920 000個數(shù)據(jù)點，即大約2×106個數(shù)據(jù)點，而每個數(shù)據(jù)點占2 Byte存儲空間，即一幀視頻約占4 MByte存儲空間。一片視頻緩存芯片少可存儲64幀視頻數(shù)據(jù)，滿足一般的幀速率轉(zhuǎn)換算法的存儲空間需求。系統(tǒng)所選DDR2芯片的傳輸速率為50 MByte·s-1,因此視頻傳輸速率為50×64/4=800幀·s-1.而系統(tǒng)中視頻的刷新率為60 Hz,視頻的傳輸速率已遠(yuǎn)大于輸出視頻的顯示幀速率，符合系統(tǒng)的實時性要求。

　　3 測試結(jié)果及分析

　　在系統(tǒng)運行試驗中，XC5VFX70T選取時鐘頻率200 MHz,屏幕分辨率為1 600×1 200,系統(tǒng)分別對圖形生成和視頻處理等功能進(jìn)行了測試，并進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

　　在圖形生成測試中，測試結(jié)果圖如圖3所示，圖中分別顯示了反走樣直線、圓弧、圓和天地球，天地球上顯示了一個直立字符和一個旋轉(zhuǎn)字符，生成該幅畫面共耗時984.6 μs,其中讀寫DDR2耗時862.7μs.當(dāng)屏幕刷新率為60 Hz時，一幅畫面允許的生成時間為16.7 ms,圖形生成滿足系統(tǒng)的實時性要求。

圖3 圖形生成測試結(jié)果圖

　　在視頻解碼、處理、編碼測試過程中，一幀視頻的處理時間長不超過3 ms,肉眼觀察各種格式的視頻輸出時無明顯時延，符合系統(tǒng)的實時性要求。在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，系統(tǒng)能輸出疊加各種高像素符號圖形的高清視頻，輸出分辨率可達(dá)1 600×1 200,輸出視頻場頻可達(dá)60幀·s-1,輸出視頻質(zhì)量高而流暢，無明顯的干擾和延遲。

　　4 結(jié)束語

　　文中給出了基于FPGA的某機(jī)載實時視頻圖形處理系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計方案，并詳細(xì)論證了系統(tǒng)中DVI視頻編解碼模塊，PAL視頻編解碼模塊以及DDR2視頻緩存模塊的硬件實現(xiàn)方法。系統(tǒng)選用了多種新型芯片，構(gòu)建了一個靈活、簡潔、可靠的硬件平臺，實現(xiàn)了對DVI、PAL等多種制式的視頻的解碼，實時處理和編碼輸出，并且具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，系統(tǒng)支持1 600×1 200分辨率，60幀·s-1刷新率，24位真彩色高清視頻的流暢處理，對1幀視頻的處理時間長不超過3 ms,能夠有效提高機(jī)載視頻圖形的處理速度，具有良好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn):

[1]. TFP401 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TFP401_646459.html.
[2]. DS16EV5110 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/DS16EV5110_2046240.html.
[3]. TFP410 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/TFP410_646457.html.
[4]. AD8130 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/AD8130_1055527.html.
[5]. AD8131 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/AD8131_1055529.html.
[6]. ADV7184 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ADV7184_1131021.html.
[7]. ADV7179 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/ADV7179_125229.html.