基于FPGA的红外图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 320×240 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[1]。

　　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-6PQ208,该器件内部逻辑高达 15 万门[2]，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 27 MHz 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K9K8G08U0M 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 Mb/s)传输速率下，具有 USB2.0 的全带宽;CPU 采用增强型 8051，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[3];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[4]。

　　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 700 μs),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)=768 μs，该时间大于页编程时间 700 μs,即写完其余 15 片 Flash 的 page0 后，再回写第一片 Flash 的 page1， 而第一片 Flash 的页编程已结束，这样则不会造成数据丢失[5]。