基于FPGA的电视/红外视频信号检测电路设计

王 刚，曹玉东

(1.海装西安局，陕西 西安 710065;2.中国电子科技集团公司第27研究所，河南 郑州 450047)

责任编辑:时 雯

1 视频信号检测概述

在基于电视/红外图像搜索、跟踪的光电装备中，电视探测器、红外热像仪等传感器一般安装在有伺服系统的转台上。电视探测器、红外热像仪视频图像信号经转台的导电滑环传输至视频图像处理器。视频信号经长距离传输引起衰减，或转台转动产品的电磁干扰叠加在视频信号上使视频信号出现不稳、丢帧现象。视频信号的稳定与否不仅关系到视频图像处理器提取目标特性的能力，并且关系到图像搜索、跟踪能否正常［1］。当视频出现丢帧时，由于视频的突然变化和不稳引起视频信号检测异常，而误报电视/红外故障。因此，在视频图像处理器中设计视频信号检测电路，当视频丢帧或不稳时检测电路判断视频信号是否正常，从而避免了误报电视/红外故障。尤其当电视探测器、红外热像仪未开机没有视频输入情况下，由于转台转动产生的干扰信号叠加在视频线上，误以为视频信号不稳定而导致误报故障问题。

一般的视频信号检测电路采用分立器件来设计，分离器件更新换代快、通用性差。另外，分离模拟器件一般为+5 V的电源供电，而目前视频图像处理器使用的DSP及FPGA电路的I/O口电压多为+3.3 V。因此，本文提出了一种基于FPGA的视频信号检测电路，不仅实现了视频信号的检测，并且提高了检测的抗干扰能力，还充分利用了FPGA的设计资源，减少了分离器件的种类、数量，进一步缩小印制板电路的面积，降低了成本，提高了装备的可靠性。

2 视频检测电路设计

本文以红外视频为例，视频信号检测电路由数字和模拟两部分组成，如图1所示。模拟部分为视频信号的同步信号分离，数字部分包括场同步信号的整形，以及场同步信号与系统(外部)时统信号的比较选择，通过FPGA设计来实现。

图1 视频信号检测电路原理框图

2.1 视频信号的场同步信号分离

电视/红外视频图像处理时序主要基于行同步信号和场同步信号，视频信号包含的行、场同步信号，需要通过视频行、场同步分离信号进行解离，一般选择专用的解离芯片进行解离［2］。本电路同步信号分离采用Intersil公司的EL1883视频信号分离器，其电路配置如图2所示。EL1883视频信号分离器有+5 V供电也有+3.3 V供电，此电路采用+3.3 V供电。IR_IN为输入模拟视频，IR_LS为分离出来的复合同步、IR_FS为分离出来的场同步，直接输出至FPGA进行处理。

图2 视频信号行、场同步分离电路

2.2 同步信号的整形及扩展

经分离后的同步信号脉宽比较窄，需要以行、场同步信号的下降沿为基准，整理成低电平脉冲宽度不变的行、场同步时序信号，为此需要下降沿提取和数字脉冲展宽设计，就是通常所说的行、场信号整形。

在FPGA设计中，采用5 MHz时钟对红外同步信号IR_FS延迟，并与为延迟的相异或，提取同步信号的下降沿，用作数字脉冲扩展的输入，电路如图3所示。该部分设计成一个模块为FS_TQ。

图3 采用延迟相异或提取FS同步信号的下降沿

而数字脉冲扩展，采用Verilog语言设计，如下所示，负电平脉冲宽度展宽至为91μs的脉冲扩展模块FS_SP。

相比模拟电路而言，采用FPGA设计的电路输出脉冲宽度整形，不受环境温度的影响，也不像通过54LS221等器件设计模拟电路展宽信号脉冲，需要对电阻、电容等器件的精度作规定、要求［3］，从而减少了器件的种类和筛选要求，提高了电路可靠性。

2.3 视频同步与系统时统信号的计数比较设计

上述视频检测电路设计中，当视频出现干扰时，视频信号同步分离器会出现干扰信号，尤其是电视、红外没有加电开机、视频线无驱动负载时，经过长线传输穿越导电滑环的视频线相当于一个天线，在转台转动过程中，大量的干扰引起同步分离器输出错误的不规则的行、场信号，引起连接至DSP的信号检测管脚的误判，错误判断电视或红外已经加电，但不规则的行、场信号时有时无，最后导致误判电视/热像仪故障。为此，在设计中增加了一种与系统的时统相比较，进行选择、判断的抗干扰电路，如图4所示，模块FS_DEC即为计数、比较、抗干扰电路。

图4 FPGA内部电路图

红外场同步信号输入后，经过模块FS_TQ和FS_SP整形展开至91μs后，一路输出用作红外信号处理的基本时序，另一路送计数、比较模块，选择输出至DSP中断，软件计数处理后，用作红外视频检测判断。

由于红外视频的场同步信号为50 Hz、系统时统信号也为50 Hz，因此在同步分离及整形的基础上，采用对已经整形好的红外场同步信号与系统的时统信号比较来进行抗干扰设计，由于系统的时统信号(50 Hz)上电后是一直存在，当红外场同步信号与50 Hz系统时钟在固定时间段内计数相差大于一定值时，可判读红外视频存在丢失。

如图5所示，FPGA内FS_DEC模块的底层电路图，对红外场同步及系统时钟以5.12 s为间隔进行计数，比较差值，大于50场即1 s时，选择低电平送INT2，终止中断，否则将红外场同步信号送INT2，软件对INT2中断计数，计数值不更新或者更新值与系统时钟计数相比停滞或差值增加时，判断红外视频丢失或存在丢帧，进而也可以判断红外热像仪是否加电。这样，通过对中断信号进行抗干扰处理，避免了不规则干扰信号对于视频是否丢失判断的影响，提高设备的抗干扰能力和设备的可靠性。

图5 计数比较模块FS_DEC的电路图

3 时序仿真和试验验证

针对上述模块设计，仿真了设计波形，如图6所示，当输入红外场同步信号频率及幅值特征正常时，产生出红外图像处理基本时序IR_OUT和检测视频是否正常的信号INT2。

图6 IR_FS输入正常时，INT2及IR_FS_OUT仿真波形

图7为当输入红外场同步信号紊乱，产生的IR_OUT及INT2信号，很明显，尽管干扰信号对也产生了个别整形的场同步信号，但由于进入DSP的中断信号进行了计数比较选择，滤除了不规则的信号，干扰没有形成对INT2的影响，DSP软件能够正常运行，正确判断红外视频不正常，红外没有加电和红外视频丢失。

图7 IR_FS输入不正常时，INT2及IR_FS_OUT仿真波形

通过在电视/红外跟踪装备平台上进行了试验验证，长时间加电工作，电视、红外视频检测的抗干扰性能明显提高;转动转台，电磁干扰不再对电视、红外视频正常与否的判断造成影响，很好地提高了设备的可靠性。

4 结语

在电视/红外视频信号检测过程中，采用FPGA设计电视/红外视频检测电路，简化了电路设计。经试验验证，能正确检测电视、红外信号是否正常，并解决了转台转动产生的电磁干扰对视频检测的影响，提高了电视/红外跟踪装备的故障检测能力和可靠性。

［1］王刚，曹玉东.视频调理器MAX7452在电视/红外视频跟踪仪中的应用［J］. 电视技术，2011，35(17):59－60.

［2］EL1883 Datasheet，Intersil corporation products datasheet［EB/OL］.［2012－05－10］.http://www.google.com.hk/url?sa=t＆source=web＆cd = 1＆ved = 0CDkQFjAA＆url = http% 3A% 2F%2Fwww.intersil.com%2Fcontent%2Fdam%2FIntersil%2Fdocuments%2Ffn70%2Ffn7010.pdf＆ei=NllFUMHQNsWjiAeZjYG4Bw＆usg=AFQjCNEIp84xl6ml8I－VnGP6aVPb9PE_6w.

［3］SN54LS221 Datasheet，TI products datasheet［EB/OL］.［2012－05－10］.http://www.okdatasheet.com/datasheets/Motorola/SN54LS221J.html.