基于NIOS嵌入式软核的硬盘录像机的设计与实现

文章摘要：(1)图像采集部分。图像采集部分使用SAA7113完成视频信号的采集。该芯片是可编程视频处理芯片, 采用CMOS工艺, 通过简单的I2C 总线可以对其实现编程控制。它将不同制式的模拟信号统一成相同的数字标准, 采用ITU-R BT.601 格式, 采样时对亮度信号和两个色差信号分别编码, 对不同制式信号采用单一的取样频率, 而且和任何模拟系统的彩色副载波频率无关, 因此在分量系统中不再包含任何副载波。取样频率定为13.5MHz, 它也是对亮度信号Y 的取样频率。由于色度信号的带宽远比亮度信号的带宽窄, 因而对色度信号U 和V 的取样率较Y 减半, 为6.75MHz。每个数字有效行分别有720

基于NIOS嵌入式软核的硬盘录像机的设计与实现,标签：电子小制作,http://www.88dzw.com
(1)图像采集部分。图像采集部分使用SAA7113完成视频信号的采集。该芯片是可编程视频处理芯片, 采用CMOS工艺, 通过简单的I²C 总线可以对其实现编程控制。它将不同制式的模拟信号统一成相同的数字标准, 采用ITU-R BT.601 格式, 采样时对亮度信号和两个色差信号分别编码, 对不同制式信号采用单一的取样频率, 而且和任何模拟系统的彩色副载波频率无关, 因此在分量系统中不再包含任何副载波。取样频率定为13.5MHz, 它也是对亮度信号Y 的取样频率。由于色度信号的带宽远比亮度信号的带宽窄, 因而对色度信号U 和V 的取样率较Y 减半, 为6.75MHz。每个数字有效行分别有720 个亮度取样点和360×2 个色差信号取样点。对每个分量的取样点进行均匀量化。对每个取样进行8 位的PCM编码。

(2)图像压缩部分。本系统采用硬件压缩方式完成视频图像的JPEG 压缩。通常在视频监控系统中使用Motion-JPEG(MJPEG)技术, MJPEG 压缩芯片将A/D 转换芯片输入的YUV 格式的数据进行MJPEG 格式的压缩。MJPEG 由JPEG 图像连接组成, 相对JPEG 图像, 每幅都有自己的量化表和Huffman码表。MJPEG可以仅使用一张量化表和Huffman码表对连续几十帧甚至上百帧图像进行压缩, 仅当数据发生丢失时才需要重新载入量化表和Huffman 码表。这一优点大大降低了系统视频解码时所需要的开销。而且, MJPEG 可以分帧存储, 这给数据的管理和回放带来了方便。本系统是使用Zoran公司的单片MJPEG压缩/解压缩芯片ZR36060 来完成图像的JPEG压缩的。

(3)图像存储部分。为了解决大量的图像数据问题, 本系统采用IDE(电子集成驱动器)接口的硬盘来完成设计。IDE 的本意是指把“硬盘控制器”与“盘体”集成在一起的硬盘驱动器。这种集成方法减少了硬盘接口的电缆数目与长度, 数据传输的可靠性得到了增强, 硬盘控制起来变得更容易。控制方式有PIO 方式和DMA 方式两种。本系统使用了IDE 硬盘的PIO 控制方式。由于采用了NIOS 处理器, 因此可以不局限于预先制造的处理器技术, 而是根据自己的标准定制处理器, 按照需要选择合适的外设、存储器和接口。本系统根据硬盘录像机的具体要求选择了Altera公司的Cyclone 系列的EP1C6来完成CPU的设计; 使用Flash ROM AM29LV065DU进行程序的加载工作; 选用SRAM为CY7C1041CV33 的存储器进行数据的缓存; FPGA 的AS 配置芯片为EPCS4。

在外围芯片中, 视频解码芯片SAA7113需要I²C 接口进行控制, 存储图像的硬盘需要IDE 接口, 但是在NIOS的外围标准接口中没有这些接口可供选择, 这时只要设置GPIO接口, 并用GPIO接口模拟出I²C总线接口和IDE接口的操作即可。同时也用GPIO 接口完成MJPEG 压缩芯片的配置任务。综合以上的硬件资源要求, 本系统在FPGA 内部设计的模块如图2 所示。


FPGA 内部模块的核心模块是NIOS 处理器的核, 其次是用来控制系统时钟的定时器1和定时器2。为了完成对SAA7113和ZR36060 的初始化配置工作, 设置了片内ROM来存储配置文件信息, 同时还设置了存储器接口和通用I/O 接口完成和外部存储器与I/O 设备的连接。整个嵌入式系统内部是由Avalon总线完成各模块之间连接的。整个系统的调试工作通过JTAG接口和串行口完成。调试程序通过JTAG接口下载到FPGA的内部, 由串口来连接一个显示终端, 将调试信息显示到PC机上。

3 控制软件的设计

系统上电硬件复位后, 软件根据用户需要自动对各项控制器指令代码及其参数进行设置, 从而完成对SAA7113、ZR36060、IDE 接口的初始化工作, 然后控制视频信号的采集压缩和存储。系统工作流程如图3 所示。

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