基于ADV7612高清视频采集设计

王继学　刘一敏　周华捷

摘要：随着信息化的快速发展，数字高清视频在人们日常生活中越来越重要，而现今高清视频采集领域中，主流思想都是基于PC采集卡来实现，但是采集卡诸如功耗过高、体积过大等问题无法避免。针对此问题，本文在前人研究基础上基于Quartus II 13.1 （64-bit）平台下开发出一款可用于嵌入式可移动设备的HDMI全高清视频采集模块。本模块最大可以支持双路1920x1080@60Hz的HDMI视频实时采集。

关键词：HDMI；视频采集；FPGA

中图分类号：TP37 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0211-03

High-definition video capture design Based on ADV7612

WANG ji-xue， LIU-yi-min， ZHOU hua-jie

（Institute of Industrial and Equipment Technology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： With the rapid development of informatization， digital high-definition video is becoming more and more important in people's daily lives. In the field of high-definition video capture today， mainstream ideas are based on PC capture cards， but capture cards such as high power consumption and volume Big problems cannot be avoided. In response to this problem， this article developed a HDMI full HD video acquisition module for embedded mobile devices based on the Quartus II 13.1 （64-bit） platform based on previous research. This module can support dual-channel 1920x1080@60Hz HDMI video real-time acquisition.

Key words： HDMI； video capture； FPGA

HDMI中文全称为高清数字多媒体接口，它是由飞利浦、东芝等七家公司共同研发的数字高清音视频接口标准，可以同步传输音频和视频。2002年正式发布HDMI1.0标准，2005年发布HDMI1.2a版本，相比较于上一版本新增了消费电子控制（CEC）和音频格式等功能，同时在通信接口兼容性方面做了改善。当前最新版本为HDMI2.1，传输带宽由2K增加到8K120Hz，同时也增强了音视频同步功能，数据处理速度直接翻倍提升，色彩空间深度也由12位增加到16位，其支持的32位无损音质可以使设备获得家庭影院般的实际效果。HDMI的这些优势决定其可以应用到机顶盒、数字视频播放器、DVD、Game Box、电脑显示器等数码产品，凭借其即插即用、高分辨率、接口迷你等特点迅速占领当前显示器市场，成了高清显示设备的标配。近几年光纤技术的发展为HDMI远距离传输提供了可能。本文基于ADV7612设计了一款HDMI视频采集模块，该模块对于嵌入式高清视频采集領域具有重要参考价值。

1 HDMI简介

1.1 HDMI接口定义

目前市面上HDMI视频接口标准一共由TypeA、TypeB、TypeC、TypeD、TypeE五种，其中TypeA是市面上最常见的接口形态，普通笔记本或者显卡普遍采用这一接口形式；TypeB是TypeA的物理升级，比TypeA有更高的传输性能；TypeC俗称miniHDMI接口，其物理尺寸相比与TypeA缩小一半，主要在手机或者摄像机等移动设备上，本系统采用较为常见的A型19针连接器，其引脚定义如表1所示。

由于需要高速传输数据，HDMI接口1-12号管脚是数据和时钟线都是TMDS差分信号，差分信号可以有效减小信号的衰减提高信号质量，15、16两根IIC信号线用于配置HDMI视频信号源，17号引脚通常用来功能性扩展，在实际使用中，可以不使用，18号引脚是+5V电源，用于给HDMI设备提供低于55mA电流供电，19号管脚用于检测是否有HDMI视频源插入，有了这个管脚信号使得HDMI设备可以支持热插拔。

1.2 HDCP视频加密认证

由于版权原因，为了保护数字视频不被非法录制，每个HDMI芯片都加入了HDCP数字保护机制，它能保证传输的HDMI视频流是加密传输的。HDMI发送器通过IIC接口通信协议的DDC通道配置芯片接收寄存器的解密信息，每一个芯片出厂时都会在内部集成一个HDCP密钥，同时也集成了该密钥的选择向量，视频数据发送的每一个时钟内，HDCP都会计算出一个解密值用于加密生成的视频信息，这么做有效保障了HDMI视频数据的安全性。

2 硬件构成

2.1 ADV7612简介

ADV7612是ADI公司（Analog Devices，Inc）的作为HDMI视频接收芯片，它是一款双端口、高质量HDMI接收芯片，支持最新的HDMI1.4 a标准，双通道输入，最大输入像素时钟高达225 MHz。与同类产品相比，ADV7612具有更小的物理尺寸，更低的功耗，并且由于采用了先进的Xpressview技术，使其可以进行快速HDMI端口切换。除此之外，它还可以支持加密视频流以及CEC、CDC等。ADV7612视频采集功能框图如图1所示。

ADV7612将HDMI接口进来的音频和视频数据送入TMDS数字核中，经过解码处理后转换为YcbCr或者RGB信号输出给图像接收端控制器。值得注意的是虽然ADV7612有两个HDMI接收口，但在同一个时刻只能有一个口处于激活状态，当端口1和端口2同时有视频输入时，可以通过软件配置更改寄存器值来选择需要的端口。ADV7612支持低功耗模式，在芯片工作时可以自动检测输入进来的HDMI数据流，当检测到视频像素时钟停止时，芯片自动进入低功耗状态，直至下一次激活。ADV7612 支持1920x1080@60Hz分辨率的全高清TMDS数据流解码，它是一种最小化差分信号传输机制，其将二进制数据“0”和“1”用两脚之间的电压正负极性来表示，这种方式使信号过渡过程的上冲和下冲减小，信号传输对于传输线的干扰大幅减少，极大地提高了信号传输的时效性和可靠性。

2.2 电源电路设计

ADV7612一共需要三個电源，分别为3.3V和1.8V，根据数据手册3.3V是数字I/O供电电源，决定了视频输出的行场信号与36位RGB信号的输出信号电平为3.3VTTL电平标准；1.8V为ADV7612数字内核供电电压。二者均采用TI公司的TPS754xx，它是一种低压差稳压器，集成上电复位和电源输出正常检测管脚（PG），能提供最大2A的输出电流和210mv的压差，当器件满载输出时静态电流为75uA ，当被禁用时此数值下降到1uA。ADV7612电源原理图如图2所示。

2.3 HDMI接口电路设计

ADV7612 支持双端口HDMI输入，但是同一时刻只能选择一个端口的视频流送入内核解码，解码出的时序逻辑像素数据送入FPGA接收处理。HDMI输入信号采用TMDS数据通道，并且其TypeA接口的1-12号引脚均通过ESD保护芯片进行保护，最大可以抗静电±8KV，此外添加ESD保护器还可以有效的芯片过流保护。

ADV7612可以支持四种频率晶振输入分别为27.0MHz，28.63.0MHz（default），24.576MHz，24.0MHz，通过配置0x04寄存器的XTAL_FREQ_SEL[1：0]位来选择一种晶振，如果用户使用了28.63Mhz的晶振，则是和寄存器默认相匹配的，此情况下，无须更改与晶振相关寄存器配置即可，其他情况下需要调整寄存器值后芯片才能正常启动。除了视频外，ADV7612还可以解码出音频数据，并通过自身的IIS接口将音频数据实时同步的送给声音接收设备，做到音视频同步播放。ADV7612硬件连接如图3所示。

3 驱动软件设计

作为视频接收芯片，ADV7612启动前需要相关设置，由于本系统采用FPGA作为从处理器，故相关驱动程序的设计均是基于Quartus II 13.1 （64-bit）下的Verilog语言设计的。ADV7612上电复位后，其IIC的器件地址默认为0x98，此时控制器FPGA需要对寄存器0x01、0x02、0x03、0x05、0x06、0x19等寄存器写入初始值，其中0x01寄存器为视频格式接收选择，以及视频刷新频率选择，用户输入什么格式的HDMI视频，这里就必须配套设置什么值，否则造成格式不匹配；0x02寄存器用于设置自动CS片选信号；0x03寄存器选择视频颜色深度，最大可以设置36位；0x06寄存器设置行场信号反转，用于匹配不同的图像显示设备，0x19寄存器用于启动LLC像素时钟输出，最大可到225MHz，ADV7612软件流程图如图4所示。

4 结论

嵌入式全高清视频采集系统是一个极具实用价值的研究方向，包含许多前沿科技的相关技术。本文设计的基于ADV7612芯片的嵌入式视频采集模块，采用HDMI1.4a标准，支持音视频同步分离接收，可以很好地应用于嵌入式医疗图像采集、安防监控领域，并且随着科学技术逐步地实现产业化，本方案在未来的市场环境中将实现其应用价值。

参考文献：

[1] 向梓豪， 陆安江. 基于FPGA的HDMI多模式显示模块设计[J]. 电子技术应用，2017，43（12）：48-51.

[2] 张硕， 李博， 杨婷. 基于达·芬奇的HDMI高清视频采编器的设计与实现[J].微电子学与计算机，2017，34（6）：54-57.

[3] 丁士强. 基于Zynq的实时视频拼接技术研究与实现[D]. 大连海事大学，2017.

[4] 张承泓， 李范鸣， 杨龙. 基于FPGA的红外视频实时采集与显示系统[J].红外技术，2017，39（2）：143-146.

[5] 丁铁夫， 杨磊， 杨旭，等. 基于HDMI的实时视频/音频传输系统设计[J].微计算机信息，2009，3（2）：180-182.

[6] 郑海林， 杜博， 李勇. 基于ADV7513的HDMI视频源设计[J].信息化研究，2015（4）：71-75.

[7] 田杰， 王广龙， 乔中涛，等. 基于FPGA高速视频图像实时采集与处理系统设计[J].电子器件，2016，39（3）：623-627.

[8] 赵保军， 史彩成， 毕莉，等. 基于FPGA和DSP实现的实时图像压缩[J].电子学报，2003，31（9）：1317-1319.

[9] 张海滨， 李挥， 吴晔，等. 嵌入式高清播放器的设计与实现[J]. 计算机工程与设计， 2010，31（13）：3084-3087.