基于FPGA機載實時視頻圖形處理系統的設計

摘要 給出了某機載實時視頻圖形處理系統的硬件電路設計方案，以XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，實現了對DVI及PAL等多種格式視頻信號的解碼、實時處理以及輸出。系統電路設計簡潔，具有較強的靈活性和擴展性。文中介紹了系統的硬件整體架構，論證了視頻編解碼模塊和視頻緩存模塊的硬件設計方案。實際測試結果表明，系統能夠流暢地對1 600×1 200分辨率，60幀／s刷新率，24位真彩色的高清視頻進行處理，對1幀高清視頻的處理時間最長不超過3 ms，具有較高的實時性能。
關鍵詞 實時視頻圖形處理；嵌入式硬件設計；FPGA

隨著科技的高速發展，飛機對機載電子系統提出了越來越高的要求，飛機性能的改善在很大程度上依賴于機載電子系統性能的提升。在飛行器機載電子系統中，顯示系統是飛機與飛行員進行人機交互的橋梁，它將各種飛行參數轉換為視覺信息，顯示在顯示器上。飛行員可以實時讀取這些信息，從而做出判斷。
文中設計了某機載視頻圖形處理系統的硬件電路部分，視頻圖形處理系統是機載顯示系統的子系統，用于在機載顯示器上顯示高像素的圖形與外部輸入視頻疊加形成的視頻信號。系統以Xilinx公司的Virtex-5XC5VFX70T FPGA為核心處理器，搭配多種外圍視頻處理芯片，實現了對高清視頻的縮放、格式轉換和疊加高像素圖形符號等多種處理功能，并且具有較高的實時性。

1 系統概況
1．1 系統需求
機載視頻圖形處理系統的主要功能是接收多種格式的外部視頻信號，生成點陣式字符信號，進行視頻格式的轉換，并可輸出生成字符與外視頻疊加的視頻信號。
系統接收PAL(Phase Alternating Line，逐行倒相)、DVI(Digital Visual Interface，數字視頻接口)制式的視頻信號和．PCI-E(Peri pheral Component Interconnect-Express，擴展外設部件互連標準)視頻信號，對視頻進行縮放、格式轉換等處理后，疊加上高像素的圖形，并按要求輸出合成的視頻信號。
1．2 總體方案設計
結合系統需求，確定系統的總體設計方案為：以Xilinx公司的Virtex-5 XC5VFX70T FPGA為核心處理器，利用其強大邏輯資源和豐富的IP核，配以相應的外部電路，構建出一個靈活、簡潔、可靠的機載視頻圖形處理系統的嵌入式硬件模塊。利用XC5VFX707T中內嵌的Power PC 440硬核處理器，在該處理器上移植美國風河公司的Vxworks操作系統，通過操作系統管理網絡和PCI-E等接口，并在操作系統的基礎上，實現相應的圖形操作及視頻處理API(Application Programming Interface，應用程序編程接口)函數，用戶的應用程序通過調用API函數來構建最終的視頻輸出。

2 系統硬件模塊設計
2．1 硬件整體架構
根據設計要求，選擇XC5VFX70T FPGA作為核心處理器，該處理器采用65 nm工藝制造，是專為嵌入式應用而開發的。處理器內置主頻550 MHz的PowerPC440內核、PCI-E端點和以太網等模塊。系統硬件部分還包括視頻編解碼芯片，DDR2視頻緩存，PowerPC外存等外圍電路，整個系統的硬件框圖如圖1所示。