12.1 設計需求分析與芯片選型

在數字圖像處理和通信、遙感圖像分析、醫(yī)學成像診斷等應用領域，為了便于顯示、觀察或進行進一步的處理，常常需要對原始的數字圖像進行特征提取(如邊緣檢測、邊緣銳化)、噪聲平滑濾波、幾何校正、尺寸縮放等處理，這類圖像處理技術稱為圖像的預處理。在實際應用中，圖像的預處理功能很多可以通過FPGA來實現(xiàn)。

基于FPGA的圖像處理系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是靈活性，可以實現(xiàn)高度集成性，縮小產品的體積。而且，可以實現(xiàn)創(chuàng)新性的設計。

本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能是對光學或者紅外攝像機器輸出的視頻信號（模擬）進行數字倍焦處理。這樣可以實現(xiàn)焦距拉長一倍的光學效果，然后仍然以原有的信號格式輸出，送給顯示設備。

12.1.1 需求分析

下面講解數字圖像倍焦系統(tǒng)的輸入輸出特性及系統(tǒng)指標。

1．系統(tǒng)輸入信號指標

（1）視頻輸入制式：PAL制式。掃描方式為隔行掃描。

（2）同步模式：內部同步。

（3）電氣特性：峰峰值為1.0V，阻抗為75W，BNC接口。

（4）分辨率：570線TV標準，數字化后為720´576，每秒25幀。

2．系統(tǒng)輸出信號指標

（1）視頻輸出制式：PAL或者NTSC可選，可以通過開關來切換。掃描方式為隔行掃描。

（2）同步模式：內部同步或者外部同步。

（3）電氣特性：峰峰值為1.0V，阻抗為75W，BNC接口。

（4）分辨率：570線TV標準，模擬化之前為720´576，每秒25幀。

3．其他系統(tǒng)指標

（1）電路板體積：長´寬´高小于40mm´40mm´20mm。

（2）電路板供電和功耗：單＋5V供電，功耗小于1W。

12.1.2 芯片選型

本系統(tǒng)的主要功能是完成圖像的實時插值放大算法，同時對體積和功耗有嚴格的要求。根據上面提出的指標進行如下的設計分析。

1．主芯片選型分析

對于放大算法實現(xiàn)，主芯片可以選擇FPGA、DSP和ARM三種方案。

基于ARM的系統(tǒng)不能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián)，需要外圍器件較多，電路體積會比較大?；贒SP的系統(tǒng)雖然能和視頻的編解碼芯片直接互聯(lián)，體積可以滿足要求，但是功耗會超標。因此，基于FPGA的方案是最佳的選擇。

由于本系統(tǒng)要求能夠擴展5V的數字I/O，所以FPGA要能夠兼容5V的信號輸入。因此，選擇Altera公司的ACEX1K系列FPGA器件。這個系列的芯片IO電壓是3.3V的，但是輸入支持5V電平。

2．信號輸入輸出選型分析

在視頻信號處理領域，把模擬視頻信號轉換成數字視頻信號的芯片稱為視頻解碼器（Video Decoder），如SAA711x系列。而把數字視頻信號轉換成模擬視頻信號的器件稱為視頻編碼器（Video Encoder）。

本系統(tǒng)中，視頻解碼器選擇了應用廣泛的SAA7113H，視頻編碼器選擇了SAA7128H。

3．其他單元電路選型分析

另外，為了滿足圖像插值放大算法要求，需要在信號采集系統(tǒng)中采樣緩沖區(qū)。采集的信號速率越高，需要的緩沖區(qū)容量越大，以保證不丟失數據。

本系統(tǒng)中，采用了乒乓緩沖區(qū)的策略來完成數據的輸入輸出緩沖區(qū)管理。因此，選用了兩片SRAM類型的存儲器。相對于SDRAM器件，SRAM器件的控制方法更為簡單，功耗也相對較低，可以滿足本系統(tǒng)的要求。

電源部分選擇了電路簡單的線性電源模塊（LDO）。本系統(tǒng)屬于低功耗系統(tǒng)，工作電流比較小，因此采用LDO芯片比較適合，如AS1117系列芯片。

4．電路板結構設計

本系統(tǒng)對體積有嚴格要求，如果采用標準單板設計很難達到設計要求，因此，考慮層疊式的電路結構。將整個電路分成兩塊電路板，通過連接器，層疊式安裝。這種結構可以充分利用空間，適合這種長寬要求嚴格，但是高度方面相對寬松的系統(tǒng)。