第8章 图像处理电路设计基础

数字显示器件
• DLP（数字光处理）
– 用于投影 – 采用TI公司开发的数字微反射器镜器件 （Digital Micromirror Device，DMD）完成 数字信息的显示
视频显示系统
• CRT显示器一般采用VGA接口，需要将数字信号变为模 拟信号再显示。R、G、B三个模拟信号，VS和HS为数字 信号。 • 有两种不同的DA可以接VGA显示器：
模拟视频信号采集
2 VGA信号采集 （1）普通AD采集
HS 锁相倍频 EL4584 VS CLK 采样控制 CPLD或FPGA 缓存 FIFO或DPRAM
R
G B
ADC1 ADC2 ADC3
模拟视频信号采集
（2）专用AD采集
如TI公司的TVP7002。内部集成了三路AD、锁相倍频、 放大器、RGB转YUV等，可直接采集普通的CVBS信号， 还能直接采集高清格式的720p、1080p以及VGA等模拟信 号。
（3）数字接口（与CPU接口）。
8.6 VGA接口设计
• VGA接口由以下信号组成
– HS：行同步，数字信号； – VS：帧同步，数字信号； – DGND：数字地； – R：红色分量，模拟信号； – G：绿色分量，模拟信号； – B：蓝色分量，模拟信号；
– AGND：模拟地；
– 地址码、测Leabharlann 信号：一般用于测试，常规情况下不用。
数字显示器件
• PDP（等离子显示器）
– 与CRT相比：体积小、重量轻、屏幕亮度均匀、 不受磁场影响、不存在聚焦问题 – 与LCD相比：亮度高、色彩好、灰度丰富、响 应速度快、视角大 – 容易与大规模集成电路集成，工艺方便，结构 简单 – 缺点：功耗大，需要多组风扇来散热
数字显示器件
• OLED （有机发光显示器）
– 一种是可以不用FPGA，由DSP通过I2C接口给DA的寄存器配置 行周期、帧周期等，DA自己产生行同步和帧同步。 – 另一种没有I2C接口，直接由FPGA产生行同步和帧同步。
视频显示系统
• LCD与OLED显示
– 两者接口基本相同 – 有三种接口形式：
（1）与CRT相同接口（VGA），需要驱动板； （2）数字接口（带行同步、帧同步、RGB数据）；
自带时序产生器的视频DA
不带时序产生器的视频DA
8.3 FPGA设计
• FPGA电路设计的关键部分：
– 配置电路：设计出错则完全无法调试； – 时钟电路：
• 输入时钟均需接到FPGA专用时钟管脚，对于不需要倍频且频率较低的时钟，
可接到FPGA普通IO脚；
• 经FPGA的PLL产生的时钟，如果要输出到其他器件的时钟管脚，则需由PLL 的输出时钟管脚输出。
• DSP内部集成硬件乘加器，有多个执行单元，专用于各种数字信号 处理； • ARM功耗低、接口丰富、应用广泛，可安装较多的操作系统，如手 机的各种操作系统，一般用于智能设备； • PowerPC的运算性能与功耗介于ARM和DSP之间，有些PowerPC 的性能和功耗甚至超过DSP，也可安装不同的操作系统，如Linux、 VxWORKS等；
– 行同步与场同步 – 行消隐与场消隐 – 开槽脉冲与均衡脉冲
模拟视频信号格式
模拟视频信号采集
1 CVBS信号采集 （1）用普通AD采集
只能采集亮度信号（形成灰度图像），不能采集彩色 信号。优点是可以达到更高的采样精度。
ADC
同步分离 CVBS EL4583 HS VS FS
锁相倍频 EL4584 CLK
• 单片机功能最弱，但是价格便宜，一般用于各种简单的控制系统中。
DSP系统与PC机对比：
PC机组成
主板 CPU 内存
DSP系统组成
电路板 DSP 各种RAM
硬盘
显示器 鼠标键盘等
FLASH
LED、LCD或监视器 各种按键
DSP与CPU对比：
选择时应考虑的因素: DSP
主频 <=1.25G 缓存大小 <=8M 型号 CXXX、TSXXX等 生产厂商 TI、AD
DSP最小系统
• • • • • • • 时钟源及PLL外围电路 复位电路 译码电路 存储器 JTAG 电源 初始化上下拉电阻
需要进行初始化上下拉的管脚
• • • • • • • 1. BOOT模式 2. Endian模式 3. 时钟模式 4. EMIF时钟选择（对C6x1x而言） 5. 部分JTAG管脚和保留管脚 6. 复用管脚的功能选择 7. NMI、ARDY、HOLD、HCS、XHOLD、 XRDY、XCS等 • 不同的DSP，初始化管脚不一样，请参见各自的 DataSheet
DSP总线设计
• 数据总线和地址总线最好接上33欧姆左右的电阻排，一方面起到阻抗 匹配的作用，一方面便于调试时测量信号，还有就是当设计有错误时 方便飞线。当总线上挂接的器件较多时，最好用驱动芯片(244或245) 将同步器件和异步器件隔离开。如下：
同步器件1 总线 同步器件2 同步器件n 驱动 异步器件1 异步器件2 异步器件n
采样控制 CPLD或FPGA
缓存 FIFO或DPRAM
模拟视频信号采集
（2）专用视频AD采集
主要有AD公司的ADV718x、Philips公 司的SAA71xx、TI公司的TVP51xx等。专 用视频AD内部集成了同频分离、亮度与色 度信号分离、AGC控制、梳状滤波器等。 一般都同时兼容PAL、NTSC、SECAM三 种制式。
模拟视频信号采集
3 S-Video与分量视频信号的采集
可采用普通AD采样，同CVBS信号的采集，只是 需要两路或三路AD。
也可采用专用AD采集，如TVP7002、ADV7441A 等。
模拟视频信号采集
4 红外视频信号采集
ADC
红外 探测器
CLK INT
采样控制 CPLD或FPGA
缓存 FIFO或DPRAM
– 参考电压管脚及IO电压：当某个BANK接特殊电平标准时，需要注意IO
电压是否接到正确的电压上，如果是像DDR、DDR2、DDR3等SSTL电 平标准，则需要注意参考电压管脚是否连接正确。
– 高速IO管脚：当电路中有高速IO接口时，如RapidIO、千兆以太网、 RocketIO、PCIe等，需要注意高速IO脚及其供电电路的连接。
多DSP互连
• 1.串行处理
输入 DSP1 DSP2
…
DSPn
输出
• 2.并行处理
DSP1 输入 DSP2 控制 输出
DSPn
与PC机的接口
• • • • • • B 2.PCI 3.串口（注意同步串口与异步串口的区别） 4.并口 5.网口 6.与PC机接口时，需要三方软件：固件程 序、驱动程序、应用程序。
CPU
>=3G <=12M 奔腾、酷睿等 Intel、AMD
TI公司DSP选型
• 1.TMS320C2000系列：主要用于工业控制，其中C24x速度为 20~40MHz，C28x速度为100~150MHz； • 2.TMS320C5000系列：低功耗系列。在音频处理和通信方面用得较多。 其中C55x功耗最低，速度可达300MHz；而OMAP系列为双核CPU，包 括一个C55的核和一个ARM9的核； • 3.TMS320C6000系列：高性能系列，目前最高的是C6678，内部含有8 个C66的核，主频可达1.25G；其次是C64系列，最低的是C62系列； C67为浮点DSP。 • 达芬奇系列：专用于视频处理，片上带有专门的图像/视频处理模块，如 图像采集、图像缩放、图像压缩、图像显示、画中画、直方图处理等。
• 不同IO接口电压的器件不可跨BANK连接。 • 有些管脚是复用管脚，有些管脚只能做为输入或输出，一定要注意。
8.4 DSP设计
• CPU、DSP、ARM、PowerPC、单片机的比较
– PC机的CPU用于桌面计算机，对功耗没有限制，主频高、性能强， 但是实时性较差，主要与操作系统有关。
– DSP、ARM、PowerPC、单片机均用于嵌入式系统，主要有以 下区别：
多DSP互连
• 如果单片DSP不满足速度要求，就需要多片。多片DSP可 以并行处理也可以串行处理。如果DSP之间需要传输的数 据量不大，可以直接用McBSP、HPI、UTOPIA等接口进 行通信，如果数据量较大，则需要使用双口RAM或FIFO。 TI公司新推出的C6455含有一组RapidIO，另外该DSP还 可以直接接DDR2 SDRAM。RapidIO可以用于两片DSP 之间进行高速通信。而AD公司的DSP含有4个或6个Link 口，比较适合多片扩展。
– 目前比较流行的显示器 – 发光原理与LED相似 – 分为PMOLED和AMOLED – 优点：
• 薄膜化全固态器件，无真空腔，无液态成分 • 亮度高、视角宽（左右视角超过160度）
• 响应快，响应速度为微秒级，是LCD的1000多倍
• 易于实现全彩色 • 低功耗、工艺简单、成本低 • 可以-40~85度范围内工作
第8章 图像处理电路设计基础
8.1 视频AD设计 8.2 视频DA设计 8.3 FPGA设计
8.4 DSP设计
8.5 LCD接口设计 8.6 VGA接口设计
8.7 存储器接口设计
8.8 FLASH接口设计
8.1 视频AD设计
CVBS信号采集
VGA信号采集 分量信号采集 红外视频信号采集
模拟视频信号格式
• PAL制模拟视频
– 逐行扫描与隔行扫描
• PAL制为25帧/秒、奇偶场合为一帧，每帧图像为625行，每场 为312.5行。每行周期64微秒，即行频为15625Hz。标准的数 字化视频为720*576像素/帧。 • NTSC制为29.97帧/秒，每帧525行，标准的数字化视频为 720*480像素/帧。
VGA信号