1 引言

隨著中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,據(jù)預(yù)測(cè)到2010年,市場(chǎng)容量將超過93.1億人民幣。智能移動(dòng)機(jī)器人是在室外環(huán)境中，將視頻圖像采集回來之后，按照預(yù)先給定的目標(biāo)任務(wù)，結(jié)合已知的地理信息做出路徑規(guī)劃，在行駛的過程中能夠不斷感知和判斷周圍的環(huán)境信息，自主地做出各種決策，隨時(shí)調(diào)整自身的行駛狀態(tài)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和操作[1]。在這個(gè)過程中，視頻采集質(zhì)量的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，是進(jìn)行后續(xù)數(shù)字圖像處理的前提條件。因此，必須有高性能的硬件設(shè)備和高質(zhì)量的算法作為基礎(chǔ),實(shí)時(shí)視頻采集才成為可能。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積小，功耗低，速度快，適應(yīng)性好，能夠滿足智能移動(dòng)機(jī)器人視頻信號(hào)處理系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)基本原理

圖1為系統(tǒng)工作原理框圖，整個(gè)系統(tǒng)所需各種芯片的電路連接如下圖所示，由CCD攝像頭輸出模擬視頻信號(hào)，經(jīng)過視頻解碼芯片SAA7111A進(jìn)行視頻預(yù)處理（鉗位、放大、A/D轉(zhuǎn)換、同步分離等)后輸出圖像數(shù)字信號(hào)IPD、行同步信號(hào)HREF、場(chǎng)同步信號(hào)VREF、奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)RST0和 13.5MH像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2去驅(qū)動(dòng)FPGA，從而產(chǎn)生正確的圖像采集時(shí)序和存儲(chǔ)地址，并將采集的圖像存儲(chǔ)到雙口RAM中。整個(gè)系統(tǒng)由視頻采集控制和幀存讀寫控制兩個(gè)核心模塊組成，它們的功能都由FPGA來實(shí)現(xiàn)。雙口RAM分為幀存A和幀存B兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)乒乓式的讀寫操作，能夠完成圖像的實(shí)時(shí)采集。SAA7111A的配置程序和FPGA采集控制程序存儲(chǔ)在FLASH中，系統(tǒng)上電工作時(shí)加載。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

3 圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1視頻信號(hào)

視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)（幀同步信號(hào)）、場(chǎng)消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因而，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的電路也非常復(fù)雜。Philips公司將這些非常復(fù)雜的視頻A/D轉(zhuǎn)換電路集成到了一塊芯片內(nèi)。從而生產(chǎn)出功能強(qiáng)大的視頻輸入處理芯片SAA7111A,為視頻信號(hào)的數(shù)字化應(yīng)用提供了極大的方便。

3.2 SAA7111A 性能及工作協(xié)議

SAA7111A是PHILIPS公司的一種增強(qiáng)型視頻輸入處理器芯片，它集A/D與解碼功能于一身，片內(nèi)還附有鎖相、自動(dòng)鉗位控制、時(shí)鐘自動(dòng)增益產(chǎn)生、多制式解碼等電路，另外還可對(duì)亮度、對(duì)比度和飽和度進(jìn)行控制[2]。既支持PAL電視制式，又支持NTSC電視制式。SAA7111A內(nèi)部含有I2C接口，可簡(jiǎn)潔的通過I2C總線對(duì)SAA7111A的工作方式進(jìn)行設(shè)定。SAA7111A的場(chǎng)同步信號(hào)VREF、行同步信號(hào)HREF、奇偶場(chǎng)信號(hào)RST0、像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2都由引腳直接引出，從而省去了以往時(shí)鐘同步電路的設(shè)計(jì)，其可靠性和方便性有了很大的提高。

圖2所示為SAA7111A的功能方框圖。從SAA7111A的四個(gè)模擬輸入端AI11,AI12, AI21, AI22輸入的視頻圖像信號(hào)，經(jīng)模擬處理后，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后產(chǎn)生數(shù)字色度信號(hào)和亮度信號(hào)，分別進(jìn)行亮度信號(hào)處理和色度信號(hào)處理。亮度信號(hào)處理的結(jié)果一路送到色度信號(hào)處理器，進(jìn)行綜合處理，產(chǎn)生Y和UV信號(hào)，經(jīng)格式化后從VPO(16位)輸出；另一路進(jìn)入同步分離器，經(jīng)數(shù)字PLL產(chǎn)生相應(yīng)的行和場(chǎng)同步信號(hào)HS和VS，同時(shí)PLL驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，產(chǎn)生與HS鎖定的時(shí)鐘信號(hào)LLC和像素時(shí)鐘信號(hào)LLC2。所有這些功能均是在I2C總線控制下完成的，其中SCL為串行時(shí)鐘信號(hào)，SDA為串行數(shù)據(jù)信號(hào)。