基于FPGA的红外 像存储与回放系统设计

1 引言

        目前，红外热像仪应用广泛，多用于侦查或监控，并且大部分红外热像仪并没有配备大容量存储器，但在一些特殊场合如导弹发射试验中的跟踪导弹的飞行轨迹，需要记录整个过程，以备事后分析。因此，基于系统设计体积和功耗考虑，这里提出一个基于FPGA的视频图像存储与回放系统设计方案。该系统采用16片1 GB NAND Flash，红外热像仪输出的每场320x240个像素点，场频50 Hz，16 bit的不压缩数字视频图像并保持至少30 min。为了扩展数据存储量，该系统还配备USB通信接口，便于将记录数据上传至计算机，或将计算机保存数据下载到该系统播放。

2 系统硬件设计

        系统硬件结构框图如图1所示，FPGA将接收的视频数据编帧后送至Flash进行存储，播放时读取数据并按特定时序送至视频D／A转换器，再经D/A转换后送至电视机。USB单片机除与计算机传输数据外，还可通过I2C总线配置视频D／A转换器的寄存器以及显示控制LCD模块。

      考虑到该系统FPGA的内部各模块逻辑复杂，尤其是在视频回放时需要多种控制方式，如暂停、快进快退、慢放慢退、逐场播放回放等，实现这些控制需占用较多的逻辑资源，因此，FPGA选用Xilinx公司的Spartan-IIE系列的XC2S-150E-6P0208，该器件内部逻辑高达15万门，具有48 Kbit的Block RAM，可作为FIFO。

        视频D／A转换器选用ADV7175A，该器件是一款性能卓越的数字视频编码器。可将符合CCIR601 4：2：2标准的数字视频信号转换为标准的PAL/NTSC制的全电视信号，转换精度为10 bit，采用单一27MHz的时钟源，SNR最高达80 dB，其内部D／A转换器的独立开关可降低系统功耗。

        根据该系统数据存储顺序进行操作，其存储器选用K9K8G08IJOM型NAND Flash。该器件的容量为8 Gbit，是由8 192个块组成，每块由64页组成，8位I／O总线作为命令、地址、数据总线分时复用。
 
        USB通信部分选用CY7C68013A。该器件是新一代高速EZ—USB FX2．内部集成了USB 2．0收发器，其SIE(串行接口引擎)可工作在高速(480 Mh／s)传输速率下，具有USB2．0的全带宽；CPU采用增强型805l，具有更快的运行速度；简单易用的可编程逻辑接口(GPIF)为外部的FPGA提供无缝连接四；另外还具有其3．3 V的工作电压和内部集成的I2C总线控制器。

2．1 Flash读写速度的匹配

        由于16片Flash并联，存储数据时，FPGA只能对一片Flash操作，又因为Flash的页编程时间过长(最大为700μs)，所以存储时应在写完第一片Flash的第一页后接着写第二片Flash，当轮询完其余15片Flash后再回写第一片Flash的第二页，这样可免去页编程等待时间，如图2所示。另外还需考虑：写完15片Flash的page0的最短时间为25 ns(Flash的最小读数周期)×2 048(每页2 K字节)×15(片)=768μs，该时间大于页编程时间700μs，即写完其余15片Flash的page0后，再回写第一片Flash的pagel，而第一片Flash的页编程已结束，这样则不会造成数据丢失。

      视频回放时要考虑Flash与ADV7175A之间的读数速度匹配问题。最坏情况下：ADV7175拾取数据时钟是13．5 MHz如图3所示。假设每个时钟周期都是有效数据，Flash的读数时钟周期TR最小值为25 ns，即极限读数速度为：fMAX=1／25 ns=40 MHz>13．5 MHz，满足系统要求。但Flash的页读缓冲时间tMAX=20μs，即每读取2 K字节需等待时间20μs(最大值)。要满足数据的连续性，需在Flash和ADV7175之间建立缓冲模块，则采用l KB的深度足以满足系统要求。

2．2 多段记录和选段播放 

        为了方便操作和观察，系统具备选段播放功能，即在记录时将不同时间段记录的内容予以分段和标记；而在播放时保证每场图像的各像素点要严格对齐，否则会造成图像错位。若要防止这种情况发生，可在记录时在每场图像数据前加一个字0xAA55作为场标志，由于每场图像的数据量为320x240x2=153 600(字节)，在加入场标志后的数据流如图4所示。这样设计的优点在于：