基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计毕业设计论文.doc
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1、基于FPGA的VGA和HDMI视频拼接系统设计摘 要随着图像显示技术的快速发展,图像用户界面和人机交互界面正朝着智能化、高速化、大屏幕化方向迈进。目前图像显示系统多数是采用早期的专用处理芯片,其运算速度和设计灵活性一般都较低。FPGA 的发展为图像存储与显示系统的高速和高集成度提供了新的方法和解决思路,FPGA 本身拥有着强大的逻辑资源,并利用片外的配置资源和模块化的设计思路,可实现图像存储与显示系统。 论文采用 Altera 公司推出的Cyclone IV FPGA,结合该系列芯片的结构特点,对其功能以及配置方式做了详细的说明,并简要的介绍了系统设计中所涉及的软硬件开发环境和显示原理,重点研
2、究基于 FPGA 的图像信号剪切、存储和显示,系统采用基于 FPGA的高速阵列的信号处理模式,提出了一种基于硬件的图像存储与显示的视频拼接显示方法。该设计以 FPGA 为数字处理的核心,分为图像处理模块、图像存储模块和图像显示模块,通过处理输入的视频信号,把视频剪切成两部分,分别以VGA和HDMI在两个显示器里分别显示,实现了视频的拼接显示功能。关键字:FPGA VGA HDMI 拼接显示VGA and HDMI video splicing FPGA-based displayABSTRACTAs the image shows the rapid development of techno
3、logy, graphical user interface and interactive interface is moving intelligent, high-speed, large screen direction. At present, the majority of the image display system is the use of dedicated processing chip early, usually its speed of operation and design flexibility are low.FPGA development for h
4、igh-speed and highly integrated image storage and display system provides a new approach and solution ideas, FPGA itself has a powerful logic resources and use off-chip resource allocation and modular design ideas can be realized Images storage and display system.Thesis, Altera has introduced Cyclon
5、e IV FPGA, combined with the structural characteristics of the chips and their functions as well as a detailed configuration instructions, and a brief description of the system involved in the design of hardware and software development environment and display principle focus Cut image signal based
6、on FPGA, storage and display, the system uses the signal processing FPGA-based high-speed mode arrays, we propose a hardware-based image storage and display method for displaying video splicing.The digital processing designed to FPGA core, divided into an image processing module, an image storage mo
7、dule and an image display module, by processing the input video signal, the video cut into two parts, respectively in the two VGA monitors and HDMI Lane respectively display, to achieve a video mosaic display function.Key words: FPGA VGA HDMI Tiled Display目录1 绪论12 系统总体设计与技术基础22.1 技术概述22.1.1 Altera F
8、PGA 介绍22.1.2 显示原理32.1.3 颜色空间42.1.4 FPGA设计流程简介53 系统硬件设计63.1 FPGA 器件选型及外围电路63.2 FLASH电路设计83.3 DDR2电路设计83.4 视频输入电路设计103.5 VGA接口电路设计113.6 HDMI接口电路设计143.7 硬件电路总体框图154 软件部分设计164.1 图像剪切模块164.2 图像存储模块174.3 图像显示模块184.4 软件总体框图205 设计流程及结果205.1 工程编译205.2 下载程序215.3 板级仿真与验证215.4 实验结果225.5 设计总结22参考文献24致 谢25附录261 前
9、言随着科学技术的高速发展,显示系统的应用越来越广泛,从日常生活到工业控制再到航空航天等行业都离不开显示系统。而且随着显示要求的提高,单个显示器已经不能满足人们的需求,在一些领域需要对视频进行分割拼接显示,比如大家常见的安防监控。驱动液晶显示器,需要很高的扫描频率以及极短的处理时间,而且还是驱动一定数量的液晶显示器,对处理数据的能力更加苛刻。从国内外显示系统的发展历程来看,主要出现了以下几种技术方案:(1)基于 ARM 的显示控制系统,它是以 ARM 微控制器为处理的核心,系统虽然具有体积小、接口丰富和功耗低的优点,但是它的开发周期过长,系统不易于移植和升级,而且如果用于如图像这种数据吞吐量比较
10、大的处理,其运行速度受到限制,这个问题不容忽视。(2)基于 DSP 的显示控制系统,这种方式采用复杂的可编程逻辑器件和数字信号处理器,具有强大的数字处理能力和较快的运行速率。系统虽能满足大数据量的运算要求,但是成本很高,并且电路设计复杂,不利用二次开发。(3)基于FPGA的显示控制系统,这种方式不仅运算速度快、电路设计简洁,而且成本相对较低,还便于移植和二次开发随着FPGA(Field-Programmable gate array)现场可编程门阵列不断的发展,其价格也不断的下降,逐渐地显现出 FPGA 的应用优势。FPGA是一种硬件架构,管脚丰富和灵活,便于进行二次开发。因此目前,嵌入式系统
11、中越来越多的采用了基于 FPGA 的设计方案。 对于图像拼接技术而言,虽然拼接方法众多,但各方法适用条件各异、鲁棒性差别较大,在使用时需要通盘考虑,择优选择,并针对特定应用需求进行相应改进,然而很少有人能够对现有的图像拼接方法进行总结归纳,对各图像拼接方法的适用范围、算法复杂度、配准精度等问题给予明确说明,导致其不能很好的应用于实际项目中。 对于视频拼接技术而言:一方面,实时性一直是困扰视频拼接的最大障碍。在现有条件下如何既能保证较好的拼接效果,又能够很好的满足实时性的要求,成为当下研究中重点要解决的问题;另一方面,在移动视频拼接系统应用需求激增的情况下,缩小硬件体积也是一个关键的问题。 2
12、系统总体设计与技术基础2.1 技术概述2.1.1 Altera FPGA 介绍 FPGA (Field Programmable Gate Array)是现场可编程门阵列,逐渐取代了以往的PAL、CPLD等可编程逻辑器件,是目前使用最广泛的逻辑器件。 FPGA的大体结构包括三个部分,CLB(可编译逻辑块),IOB(输入/输出块)和BRAM(随机储存记忆块)。可配置逻辑模块(CLB)含有RAM-based LUTs(Look-Up Tables),从而实现逻辑和存储单元。CLB可通过编程来实现广泛多样的逻辑功能,同样也可储存数据。FPGA中除了具有用LUT构成的分布随机存储器之外,还有块存储器(
13、Block SelectRAM Memories)。块存储器是真正的双端存储器(True Dual-Port RAM),提供了高速的、分布式的、大块的存储资源,在FPGA里块存储器排成几条纵队,块存储器的总量是由器件型号决定的,这些块存储器级联后可以构成更深、更宽的存储器。FPGA是基于查找表技术,查找表本质上就是一个分布式RAM存储器,因此结构等同于有4位地址线的随机存储器,如图所示。 图 2.1 LUT 单元结构由图2.1可知,四个输入作为地址进行查表,该地址上的值是由编译软件写好,该值就是所需要的逻辑值。目前,生产FPGA的厂商有Xilinx、Altera、Lattice等公司,其产品结
14、构均基于查找表结构。本系统在设计时,采用的是Altera公司生产的Cyclone IV系列芯片作为系统开发。 2.1.2 显示原理VGA(Video Graphics Array),中文是视频图形阵列,使用的是模拟信号传输数据。现在大部分的计算机显示器都带有VGA接口,它是最普遍的一种显示接口,如图所示。 图2.2 VGA接口HDMI(High Definition Multimedia),中文是高清晰度多媒体接口,使用的是数字信号传输数据。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,保证高质量的视频信号传输。图2.3 HDMI接口R、G、B(3基色信号)、HS(行同步信号)、VS(场同
15、步信号)是我们在设计VGA和HDMI需要考虑的5个信号。其中R、G、B信号为数据信号,HS、VS为控制信号。任意所需要的颜色都可由R、G、B3种基色组合得出。处理好这5个信号的时序就是显示的基础,下面将介绍显示的时序。 图2.4 各分辨率条件下使用的频率图2.5 行扫描时序图图2.6 场扫描时序图当分辨率为 1024*768 时,水平方向显示器每行有 1344(65MHz/48.363kHz)个数据位,当中的 1024 个数据位用来显示像素,另外的 320(1344-1024)个数据位用来输出水平消隐信号和水平同步信号。垂直方向有80(48.363kHz/60.004Hz)行,其中 768 行
16、用于显示相应的像素,其余 38(806-768)行用来输出垂直消隐信号和垂直同步信号。显示器显示完一行图像后,同步行信号,接着进行行消隐,同步信号都采用了低电平有效的同步方式。当所有行都被扫描完后,进行场同步,并将扫描回归到屏幕的左上方,与此同时进行场消隐,并为下一次扫描做准备。2.1.3 颜色空间颜色空间是颜色集合的数学表示,最常用的三个颜色模型是RGB、YCbCr、YUV。RGB主要用于计算机图形学中,YCbCr和YUV主要用于视频系统中,在本次设计中用到了RGB和YCbCr。RGB即红、绿、蓝三原色,可以通过它们相互叠加来得到各式各样的颜色,一共可以表示256x256x256=16777
17、216种颜色。YCbCr其中Y是指亮度分量,Cb指蓝色色度分量,而Cr指红色色度分量。主要的子采样格式有 YCbCr 4:2:0、YCbCr 4:2:2 和 YCbCr 4:4:4。RGB和YCbCr两种颜色空间可以相互转换,它们的转换送入如下:Y = 0.257*R+0.564*G+0.098*B+16Cb = -0.148*R-0.291*G+0.439*B+128Cr = 0.439*R-0.368*G-0.071*B+128R = 1.164*(Y-16)+1.596*(Cr-128)G = 1.164*(Y-16)-0.392*(Cb-128)-0.813*(Cr-128)B = 1
18、.164*(Y-16)+2.017*(Cb-128)2.1.4 FPGA设计流程简介1.设计输入硬件描述语言 设计输入在大规模的系统中使用硬件描述语言(HDL),在较小规模的系统中使用原理图或者使用用户定义原语实现模块功能。 目前,在实际开发中应用最广的就是硬件描述语言,即HDL。设计常用硬件描述语言是Verilog HDL和VHDL。与VHDL相比,Verilog HDL就是在C语言的基础上发展起来的一种件描述语言,仿真器Verilog-XL推出后使得Verilog HDL迅速得到推广应用。编写代码对综合结果起着决定性的作用,好的编码风格可以更方便地配合综合工具利用最新的技术得出更好的结果;
19、经过深思熟虑的设计将会有清晰的结构和模块,更容易进行验证,从而有利于缩短设计周期。总的来讲,VHDL/Verilog的编码风格是非常重要的。本设计采用IEEE Verilog 2001标准作为设计规范,提高了设计的可重用性。2 行为级仿真 行为级仿真,也称为前仿真,是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证。如果发现错误,则返回设计修改逻辑设计。测试台主要是给被测实体加上输入激励,然后进行编译,再比较其输出是否与期望值一致,并给出一些提示信息,直到仿真正确为止。这部分工作非常重要,因为若行为级仿真做的不到位,会直接影响最终电路的功能,必须要保证通过的前提下,再进行下面的操作。 3.综合优化
20、 综合工具的作用是将代码综合成为实际的电路。4. 设计约束文件 FPGA设计中的约束文件可以完成时序约束、管脚约束。5. 布局布线后仿真 布局布线后仿真主要是将Xilinx布线后所产生的延迟加反标到电路的后面进行仿真,它将所有的延迟信息都计算进去,不仅包括了门延时,还包括了实际布线延时,因此布局布线后仿真最贴近芯片的实际工作情况,反映的的结果最为准确。 6. 电路下载验证 下载验证主要是将布线后产生的结果转换为配置文件之后放入FPGA中。3 系统硬件设计系统硬件电路设计的成功与否,是整个系统能否成功运行起来的前提条件。本章将对系统的硬件设计做详细的介绍。3.1 FPGA 器件选型及外围电路在本
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