基于ADV7180的视频图像实时采集系统的设计

蔺志强，孟令军，彭晴晴

（中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室；电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

随着科学技术的飞速发展，一些工作环境或者易发生事故的场所不允许人们直接观察和操作。图像采集系统以其实时性和真实性发挥了重大作用，图像采集系统是一种集图像采集、显示和存储为一体的监测系统[1]。本文基于ADV7180设计了一种集图像显示与图像存储的实时监测系统，以方便人们了解实际情况并通过分析做出决策，为环境保护和人类生命财产安全提供了保障。

1 图像实时采集系统构成

CCD摄像头以其灵敏度高、抗干扰能力强的优点成为本文采集模块的首选，而CCD摄像头的输出格式分为PAL制式和NTSC制式，示波器检测结果如图1所示，使用的摄像头为PAL制式，标准的PAL电视每秒显示50场，即图像输出频率为50 Hz。一行图像数据为64 μs。

2 基本原理和系统总体结构

本文主要完成了对采集的PAL制式图像的显示与存储，由于环境变化迅速，采用灰度图像显示实时监测的内容，可以提高显示的灵敏度。对需要分析的特定时刻，可以采集彩色图像并存储以便进行分析。系统的结构框图如图2所示，由CCD采集图像数据经ADV7180解码为标准的4∶2∶2数据流，通过对亮度信号的提取，实现了灰度图像的显示，而灰度图像不易于分析，所以设计了一个采集控制开关，采集一帧彩色图像存入SDRAM并经过一系列的编码转换，通过VGA接口送到相连的显示设备进行分析。由于PAL制式的一帧图像分为奇数场和偶数场，所以设计了两个FIFO，将奇数场和偶数场分别存入两个FIFO，利用乒乓结构读取两个FIFO中的数据，提高系统的存储速度和可靠性。

3 ADV7180视频解码芯片的硬件实现

3.1 ADV7180标清视频解码器性能简介

设计中实现模拟图像信号到数字图像信号转换的ADV7180为ADI公司推出的一款10位、4倍过采样的视频图像解码器，它可以采样NTSC，PAL和SECAM格式的模拟视频信号。通过正确配置后芯片自动检测输入格式，并将其转换为与ITU-R.656接口标准兼容的YCbCr 4∶2∶2的8位分量视频图像数据。

3.2 ADV7180配置的FPGA实现

ADV7180的正常工作需要通过I2C总线的正确配置。配置完成以后，芯片检测到启动信号后就开始工作。启动芯片正常工作的关键是对ADV7180各寄存器的正确配置。ADV7180通过I2C总线配置寄存器的时序如图3所示。

设计采用的CCD摄像头输出的是PAL制式的视频信号，ADV7180视频输入模式要采用CVBS输入模式，并使能AIN1作为视频信号输入口，检测模式采用自动检测模式。从CVBS端口引进的视频信号的构成除了包含图像数据信号之外，还包含行同步信号、场同步信号、行消隐、场消隐等信号，芯片可以自动进行处理，系统只要检测相应的信号启动相应操作就行，不需要系统对其进行干预[2]。系统上电复位后，SCLK和SDATA保持为高电平，当FPGA将SDATA由高拉低时，就启动一次I2C对ADV7180的寄存器配置，正确配置成功就可以实现相应的功能，设计需要配置的寄存器如表1所示。

设计用FPGA模拟I2C主端口，发起对ADV7180从端口的配置，首先发出一个8 bit的设备地址（0x40），在收到地址配置完成信号后，再输出8 bit寄存器地址（7 bit地址和1 bit读写信号），在第9个时钟脉冲时将SDATA数据线拉低，提示寄存器地址写成功后，主端口根据读写信号将8 bit数据写入或者读出相关寄存器。

4 系统其他功能模块的FPGA实现

4.1 图像数据解码模块设计实现

摄像头采集到的模拟视频图像信号经由ADV7180解码后得到4∶2∶2的YCbCr数字视频图像数据流，图像行、场等同步控制信号都内嵌在数据流中，每行数据结构如图4所示。

最开始为4 byte的有效视频数据结束标志EAV信号，其后的280 byte的8010为固定填充数，视频数据信号的排列顺序为Cb-Y-Cr-Y逐个排列，最后为4 byte的有效视频起始标志SAV信号。FF，00，00为SAV和EAV信号的3 byte前导，最后的1 byte XY表示区分SAV，EAV。具体XY的各个比特位的含义为最高位7 bit为固定值1；6 bit F=0表示偶数场，F=1表示奇数场；5 bit V=0表示该行有效视频数据，V=1表示该行没有有效视频数据；4 bit H=0表示为SAV信号，H=1表示为EAV信号；P3～P0为保护信号，由F，V，H信号计算生成；P3值为V异或H；P2值为F异或H；P1值为F异或V；P0值为F异或V异或H。

奇数场的有效数据以FF0000C7开始，以FF0000DA结尾；无效数据是以FF0000EC，FF0000F1结尾；偶数场的有效数据是以FF000080开始，以FF00009D结尾；无效数据是以FF0000AB，FF0000B6结尾。

4.2 Y分量图像的提取

解码芯片656输出格式亮度与色度关系如图5所示，为了显示灰度图像，可设计一个计数器对Y分量进行提取，结合图4和图5可知，忽略CbCr色度信息，当计数器为偶数时，将Y变量赋值给灰度图像变量，通过VGA控制器即可显示所对应的灰度图像。

5 图像数据由YCbCr到RGB的转换

VGA接口的PC显示器和LCD显示器的都是基于RGB三基色的，而ADV7180解码后得到的是YCbCr 4∶2∶2格式的图像数据[3]。所以，首先需要将数据转换成YUV 4∶4∶4数据格式，然后进行色彩空间转换，将YUV格式数据转化成RGB色彩空间的格式数据，具体转化形式为

6 实验结果验证

使用Quartus II下的嵌入式逻辑分析仪Signal TapⅡ对I2C配置ADV7180进行检测，测试结果如图6所示。

根据表1和图3，可以看出I2C端口ADV7180配置寄存器地址和数据都正确。用示波器对ADV7180的输出信号VS，HS进了检测，如图7和图8所示。

可以看到ADV7180正确启动并工作正常，其输出的所有信号都符合设计要求。Signal TapⅡ逻辑分析仪检测到的亮度信号提取结果如图9所示。

灰度图像的显示结果如图10所示。

7 小结

本文设计了一种基于ADV7180的图像采集显示及分析系统，介绍了ADV7180的配置以及灰度图像的提取与显示，并且利用开关实现了一帧色度图像的存储。实验表明，灰度图像的显示提高了实时采集的速度，色度图像的存储为分析提供了依据，为决策作出了保障。在实际的运用中，发现色度图像的存储速度和画面质量还有待提高，图像数据的压缩处理将进一步研究。

[1]唐红雨，陈迅.高速图像数据采集与处理系统的硬件设计[J].电子技术，2006（12）：56-60.

[2]汤少为.基于FPGA控制的高速数据采集系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2007.

[3]沈庭芝，方子文，王卫江，等.数字图像处理及模式识别[M].北京：北京理工大学出版社，1998.