视频处理开发板用户手册

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射邬
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1 视频处理开发板用户手册 ALINX822 芯驿电子科技 ( 上海 ) 有限公司黑金动力社区

2 目录功能简介... 3 功能实现... 5 FPGA 核心板... 7 ( 一 ) 简介... 7 ( 二 ) DDR2 引脚分配... 9 ( 三 ) FPGA 供电电源 ( 四 ) 扩展口 ( 五 ) 电源接口 ( 六 ) JTAG 接口 ( 七 ) 外部晶振 ( 八 ) 复位按键 ( 九 ) LED 扩展板 ( 一 ) 简介 ( 二 ) VGA 接口 ( 三 ) HDMI 接口 ( 四 ) 视频输出接口 ( 五 ) 视频输入接口 ( 六 ) ARM 控制器 ) 实时时钟 ) EEPROM ) LED ) 串口 ( 七 ) 扩展口 ( 八 ) SD 卡

专业级 FPGA 视频图像处理开发平台 ( 型号 :ALINX822) 正式发布了, 为了让您对此开发平台可以快速了解, 我们编写了此用户手册这款 FPGA 视频图像处理开发平台是根据本公司一个视频图像处理项目进行改进衍生而来, 不管硬件设计还是软件程序的编写, 都出自产品研发工程师之手, 因此, 这款开发平台可以堪称专业级, 贴近产品, 贴近研发的第一线

3 专业级 FPGA 视频图像处理开发平台 ( 型号 :ALINX822) 正式发布了, 为了让您对此开发平台可以快速了解, 我们编写了此用户手册这款 FPGA 视频图像处理开发平台是根据本公司一个视频图像处理项目进行改进衍生而来, 不管硬件设计还是软件程序的编写, 都出自产品研发工程师之手, 因此, 这款开发平台可以堪称专业级, 贴近产品, 贴近研发的第一线这样的一款产品非常适合即将从事或者正在从事 FPGA 视频图像处理的学生工程师等群体简介在这里, 对这款 FPGA 开发平台进行简单的功能介绍开发板的整个结构, 继承了我们一贯的核心板 + 扩展板的模式来设计的核心板主要由 FPGA+ 两片 DDR2 构成, 承担视频图像处理的核心算法, 充分利用了 FPGA 并行处理的能力, 加上两片 DDR2 构建 32bit 总线, 整个系统的带宽高达 10Gb/s; 两片 DDR2 容量高达 2Gbit, 满足视频处理过程中对高缓冲区的需求我们选用的 FPGA 为 ALTERA 公司 CYCLONE IV 系列的 EP4CE30F23C6N 这款高速的 FPGA 芯片我们选用 CYCLONE IV 系列中速度级别最高的 C6 级别, 可以实现 FPGA 和 DDR2 之间的时钟频率达到 200M, DDR2 内部 400M, 充分满足了四路 1080p 视频处理的需求下图为整个系统的结构示意图 : 3

通过这个示意图, 我们可以看到, 我们这个开发平台所能实现的功能四路视频输入我们选用了 Techwell 公司的 TW2867, 可输入 4 路复合视频信号, PAL/NTSC/SECAM 自动识别, 输出 BT656, 可多路复用总线,FPGA 端解复用, 节省 IO; 一路视频输出我们选用了 ADI 公司的 ADV7171 视频编码器, 支持 PAL/NTSC/SECAM, 可用

4 通过这个示意图, 我们可以看到, 我们这个开发平台所能实现的功能四路视频输入我们选用了 Techwell 公司的 TW2867, 可输入 4 路复合视频信号, PAL/NTSC/SECAM 自动识别, 输出 BT656, 可多路复用总线,FPGA 端解复用, 节省 IO; 一路视频输出我们选用了 ADI 公司的 ADV7171 视频编码器, 支持 PAL/NTSC/SECAM, 可用 BT656 BT601 等格式输入 ; 一路 VGA 输出我们选用了 ADI 公司的 ADV7123 视频 D/A 转换芯片, 最高支持 1080P@60Hz 输出 ; 一路 HDMI 输出我们选用了 Silion Image 公司的 SIL9134 HDMI(DVI) 编码芯片, 最高支持 1080P@60Hz 输出, 支持 3D 输出同时, 在扩展板上, 我们还板载了一片 ARM 芯片 (STM32F103), 通过 I2C 配置各接口芯片和 FPGA 4

5 功能实现 TW2867, 可输入 4 路复合视频信号,PAL/NTSC/SECAM 自动识别, 输出 BT656 因此, 通常可以用的视频信号员有很多, 比如 1) 监控摄像头, 通过此开发板, 可以实现四路监控摄像头通过显示器 (VGA/HDMI 接口均可, 可实现 1080p) 进行分屏显示, 我们的开发板就相当于下图中的数字视频主机 2) 机顶盒, 通过机顶盒获得的视频源, 可以通过我们的开发平台实现画中画 (PIP) 功能 5

6 3) 游戏机边打游戏, 边看电视, 还可以监控一下, 此开发板的强大之处不言而已吧 6

FPGA 核心板 ( 一 ) 简介 FPGA+ 双 DDR2 核心板, 是基于 ALTERA 公司的 CYCLONE IV 系列的 EP4CE30F23C6 这款芯片开发的高性能核心板, 具有高速, 高带宽, 高容量等特点, 适合视频图像处理, 高速数据采集等方面使用这款核心板使用了 MICRON 公司的 MT47H64M16HR 这款 DDR2 芯片, 容量为 1Gbit;

7 FPGA 核心板 ( 一 ) 简介 FPGA+ 双 DDR2 核心板, 是基于 ALTERA 公司的 CYCLONE IV 系列的 EP4CE30F23C6 这款芯片开发的高性能核心板, 具有高速, 高带宽, 高容量等特点, 适合视频图像处理, 高速数据采集等方面使用这款核心板使用了 MICRON 公司的 MT47H64M16HR 这款 DDR2 芯片, 容量为 1Gbit; 两片 DDR2 构建 32bit 总线模式,2G 容量, 带宽高达 10Gb; 这样的配置, 可以满足 4 路 1080p 视频处理的需求这款核心板还扩展出 204 个 IO 口, 对于需要大量 IO 的用户, 此核心板将是不错的选择而且, 此核心板尺寸仅为 60*70(mm), 对于二次开发来说, 非常适合下图为 DDR2 的部分原理图 ( 详细的请看我们提供的原理图 ) 7

8 另外, 为了让 DDR2 正常工作, 我们还需要提供给 FPGA 1.8V 的电压, 下图为电源部分原理图 8

DDR2 及电源部分实物图 ( 二 ) DDR2 引脚分配具体可以看我们提供的 TCL 脚本文件引脚名称 FPGA 引脚引脚名称 FPGA 引脚 mem_addr[0] U10 mem_addr[10] V6 mem_addr[1] Y6 mem_addr[11] AB3 mem_addr[2] T16 mem_addr[12] U14 mem_addr[3] R14

9 DDR2 及电源部分实物图 ( 二 ) DDR2 引脚分配具体可以看我们提供的 TCL 脚本文件引脚名称 FPGA 引脚引脚名称 FPGA 引脚 mem_addr[0] U10 mem_addr[10] V6 mem_addr[1] Y6 mem_addr[11] AB3 mem_addr[2] T16 mem_addr[12] U14 mem_addr[3] R14 mem_ba[0] U7 mem_addr[4] AA4 mem_ba[1] AB10 mem_addr[5] T11 mem_ba[2] T9 mem_addr[6] AB5 mem_cas_n R15 mem_addr[7] T14 mem_cke[0] U8 mem_addr[8] AA3 mem_clk[0] AA17 mem_addr[9] U13 mem_clk_n[0] AB17 9

10 mem_cs_n[0] Y17 mem_dq[17] W13 mem_dm[0] V5 mem_dq[18] AB14 mem_dm[1] AA7 mem_dq[19] AA13 mem_dm[2] AA10 mem_dq[20] AB13 mem_dm[3] AA16 mem_dq[21] AA14 mem_dq[0] V8 mem_dq[22] U12 mem_dq[1] W6 mem_dq[23] AA15 mem_dq[2] W8 mem_dq[24] T15 mem_dq[3] W7 mem_dq[25] V15 mem_dq[4] Y3 mem_dq[26] W17 mem_dq[5] Y7 mem_dq[27] AB16 mem_dq[6] AA5 mem_dq[28] V14 mem_dq[7] U9 mem_dq[29] AB20 mem_dq[8] AA9 mem_dq[30] W15 mem_dq[9] AB8 mem_dq[31] AB18 mem_dq[10] Y10 mem_dqs[0] V10 mem_dq[11] AA8 mem_dqs[1] AB9 mem_dq[12] AB7 mem_dqs[2] Y13 mem_dq[13] V11 mem_dqs[3] V13 mem_dq[14] Y8 mem_odt[0] R16 mem_dq[15] W10 mem_ras_n T10 mem_dq[16] AB15 mem_we_n V7 ( 三 ) FPGA 供电电源为了让 FGPA 可以正常的工作, 我们需要为 FPGA 提供 3.3V 2.5V 1.2V 三路电源, 如果有 DDR2, 还需要有 1.8V, 上面已经说过, 在此不再重复 4 路电源均美国 MPS 公司进口的 MP2359 DCDC 芯片, 具有效率高, 不发热, 可提供电流大, 纹波小等特点, 是 FPGA 绝佳的电源解决方案 ; 大量使用高档进口的电容电感, 保证系统的电源稳定可靠 ; 10

11 电源部分原理图电源部分实物图 11

12 ( 四 ) 扩展口核心板一共扩展出 3 个扩展口,2 个 1.27mm 间距 2*50 的排座,1 个 40 针 0.5mm 间距的 FPC 接口 P1,P2 为 2*50 的排座,P3 为 FPC 接口 FPC 接口实物图 12

13 13

14 14

接口, 没有 AS 接口, 如果需要固化程序, 可以通过下面链接, 查看如何通过 JTAG 口实现固化程序

15 ( 五 ) 电源接口核心板引出来一个 MINIUSB 接口 J2, 用户给核心板供电使用,LED6 为电源指示灯 MINI USB 接口原理图 ( 六 ) JTAG 接口 MINI USB 接口实物图核心板只预留了 JTAG 接口, 没有 AS 接口, 如果需要固化程序, 可以通过下面链接, 查看如何通过 JTAG 口实现固化程序 15

16 原理图 ( 七 ) 外部晶振实物图核心板板载了 50M 的有源晶振, 使用的是 FPGA 的 T1 引脚原理图 16

17 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 clk 实物图 FPGA 引脚 T1 ( 八 ) 复位按键复位按键原理图 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 sys_key0 复位按键实物图 FPGA 引脚 T2 17

18 ( 九 ) LED LED 原理图 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 LED0 LED1 LED2 LED3 LED 实物图 FPGA 引脚 B2 B1 C2 C1 18

扩展板 ( 一 ) 简介通过前面的功能简介, 我们可以了解到扩展板部分的功能四路视频输入 TW2867 一路视频输出 ADV7171 一路 VGA 输出 ADV7123 一路 HDMI 输出 SIL9134 一片 ARM 芯片 STM32F103 通过这些硬件, 我们可以做一下实验 : 基础实验 : 1) VGA

19 扩展板 ( 一 ) 简介通过前面的功能简介, 我们可以了解到扩展板部分的功能四路视频输入 TW2867 一路视频输出 ADV7171 一路 VGA 输出 ADV7123 一路 HDMI 输出 SIL9134 一片 ARM 芯片 STM32F103 通过这些硬件, 我们可以做一下实验 : 基础实验 : 1) VGA 输出 color bar 实验 ; 2) HDMI 输出 color bar 实验 ; 3) ADV7171 输出 colorbar 实验 ; 4) TW2867 输入到 ADV717 显示实验 ; 5) I2C 通信实验 ; 6) RGB 转 Ycbcr 实验 ; 7) Ycbcr444 转 Ycbcr422 实验 ; 19

20 8) HDMI 显示 Ycbcr colour bar 实验 ; 9) ycbcr 转 rgb 实验 ; 进阶实验 : 1) 4 路视频信号通过 TW2867 采集以后, 通过 VGA 接口 4 分屏显示 ; 2) 4 路视频信号通过 TW2867 采集以后, 通过 HDMI 接口 4 分屏显示 ; 3) 4 路视频信号通过 TW2867 采集以后, 通过视频输出接口 4 分屏显示 ; 4) 通过 VGA 实现画中画 (PIP) 模式 ; 5) 通过 HDMI 实现画中画 (PIP) 模式 ; 6) 通过视频输出接口实现画中画 (PIP) 模式 ; 7) 将上述 6 个实验整合在一起, 实现 4 路视频输入以后, 可通过 VGA HMDI, 视频输出接口同时显示, 通过串口命令来对单独显示模式分屏显示模式画中画模式三种模式的切换 ( 二 ) VGA 接口输出 ; VGA 显示部分, 我们使用了 ADI 公司的 ADV7123, 最高支持 1080p@60Hz 20

FPGA 引脚分配 : 引脚名称 vga_out_clk vga_out_hs vga_out_vs vga_out_de vga_out_rgb_b[0] vga_out_rgb_b[1] vga_out_rgb_b[2] vga_out_rgb_b[3] vga_out_rgb_b[4] vga_out_rgb_b[5] vga_out_rgb_b[6] vga_out_rgb_b[7]

21 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 vga_out_clk vga_out_hs vga_out_vs vga_out_de vga_out_rgb_b[0] vga_out_rgb_b[1] vga_out_rgb_b[2] vga_out_rgb_b[3] vga_out_rgb_b[4] vga_out_rgb_b[5] vga_out_rgb_b[6] vga_out_rgb_b[7] vga_out_rgb_g[0] vga_out_rgb_g[1] vga_out_rgb_g[2] vga_out_rgb_g[3] vga_out_rgb_g[4] vga_out_rgb_g[5] vga_out_rgb_g[6] vga_out_rgb_g[7] VGA 接口实物图 FPGA 引脚 M6 N6 V3 P2 R1 R2 M7 M8 P7 N7 R7 P6 P4 R5 T4 M1 M2 N1 N2 P1 21

22 vga_out_rgb_r[0] vga_out_rgb_r[1] vga_out_rgb_r[2] vga_out_rgb_r[3] vga_out_rgb_r[4] vga_out_rgb_r[5] vga_out_rgb_r[6] vga_out_rgb_r[7] ( 三 ) HDMI 接口 J1 K8 L6 M3 L8 M4 N5 P3 HDMI 接口的实现, 是选用 Silion Image 公司的 SIL9134 HDMI(DVI) 编码芯片, 最高支持 1080P@60Hz 输出, 支持 3D 输出其中,SIL9134 的 IIC 接口与 STM32F103 相连, 通过 STM32F103 来对 SIL9134 进行初始化和控制操作, 其他引脚与 FPGA 相连 ARM 对应引脚 : 引脚名称 ARM 引脚 9134_SDA _SCL 40 22

23 HDMI 接口原理图 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 hdmi_out_clk HDMI 接口实物图 FPGA 引脚 F1 23

24 hdmi_out_hs hdmi _out_vs hdmi _out_de hdmi _out_rgb_b[0] hdmi _out_rgb_b[1] hdmi _out_rgb_b[2] hdmi _out_rgb_b[3] hdmi _out_rgb_b[4] hdmi _out_rgb_b[5] hdmi _out_rgb_b[6] hdmi _out_rgb_b[7] hdmi _out_rgb_g[0] hdmi _out_rgb_g[1] hdmi _out_rgb_g[2] hdmi _out_rgb_g[3] hdmi _out_rgb_g[4] hdmi _out_rgb_g[5] hdmi _out_rgb_g[6] hdmi _out_rgb_g[7] hdmi _out_rgb_r[0] hdmi _out_rgb_r[1] hdmi _out_rgb_r[2] hdmi _out_rgb_r[3] hdmi _out_rgb_r[4] hdmi _out_rgb_r[5] hdmi _out_rgb_r[6] hdmi _out_rgb_r[7] ( 四 ) 视频输出接口 G7 G4 H7 J6 J3 J4 K7 J7 E1 H2 F2 J2 H1 L7 M5 R6 P5 U1 T7 V1 U2 W1 V2 Y1 W2 AA1 Y2 我们选用了 ADI 公司的 ADV7171 视频编码器, 支持 PAL/NTSC/SECAM, 可用 BT656 BT601 等格式输入 ; 其中,ADV7171 的 IIC 接口与 STM32F103 相连, 通过 STM32F103 来对 24

25 ADV7171 进行初始化和控制操作, 其他引脚与 FPGA 相连 ARM 对应引脚 : 引脚名称 ARM 引脚 7170SDA SCL 40 视频输出接口原理图 25

26 视频出处接口实物图 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 cvbs_out_clk cvbs_out_hs cvbs_out_de cvbs_out_vs cvbs_out_data[0] cvbs_out_data[1] cvbs_out_data[2] cvbs_out_data[3] cvbs_out_data[4] cvbs_out_data[5] cvbs_out_data[6] cvbs_out_data[7] ( 五 ) 视频输入接口 FPGA 引脚 V21 H16 G16 J17 AA21 Y21 Y22 W21 W22 V22 U21 U22 我们选用了 Techwell 公司的 TW2867, 可输入 4 路复合视频信号, 26

27 PAL/NTSC/SECAM 自动识别, 输出 BT656, 可多路复用总线,FPGA 端解复用, 节省 IO; 其中,TW2867 的 IIC 接口和复位引脚与 STM32F103 相连, 通过 STM32F103 来对 TW2867 进行初始化和控制操作, 其他引脚与 FPGA 相连 ARM 对应引脚 : 引脚名称 ARM 引脚 SDA 39 SCL _NRESET 41 视频输入接口原理图 27

28 视频输入接口实物图引脚分配 : 引脚名称 cvbs_out_clk cvbs_out_hs cvbs_out_de cvbs_out_vs cvbs_out_data[0] cvbs_out_data[1] cvbs_out_data[2] cvbs_out_data[3] cvbs_out_data[4] cvbs_out_data[5] cvbs_out_data[6] cvbs_out_data[7] ( 六 ) ARM 控制器 FPGA 引脚 V21 H16 G16 J17 AA21 Y21 Y22 W21 W22 V22 U21 U22 在扩展板上, 我们还板载了一片 ARM 芯片 (STM32F103), 通过 I2C 配置各接口芯片和 FPGA 28

29 STM32F103 实物同时,ARM 还引出了实时时钟 EEPROM 8 个 LED 以及串口等 1) 实时时钟 29

30 实时时钟原理图 ARM 对应引脚 : 引脚名称实时时钟实物图 ARM 引脚 1307_SDA _SCL 29 2) EEPROM EEPROM 原理图 30

31 ARM 对应引脚 : 引脚名称 EEPROM 实物图 ARM 引脚 24LC04_SDA 59 24LC04_SCL 58 3) LED LED 原理图 ARM 对应引脚 : 引脚名称 LED 实物图 ARM 引脚 LED0 57 LED1 56 LED2 55 LED3 54 LED4 53 LED5 52 LED

32 LED7 50 4) 串口串口原理图 ARM 对应引脚 : 引脚名称串口实物图 ARM 引脚 RXD1 43 TXD1 42 ( 七 ) 扩展口通过 FPGA 核心板, 扩展出了一路 2*20 的扩展口, 此扩展口可以用于外扩 32

33 TFT 液晶屏等外部设备扩展口原理图扩展口实物图注意 : 通过扩展口两侧的标号, 我们可以确定第 1 脚的位置 FPGA 引脚分配 : 引脚名称 FPGA 引脚引脚名称 FPGA 引脚 1 GND 2 VCC(5V) 3 K21 4 H22 5 J21 6 F22 7 H21 8 E22 9 F21 10 D22 11 E21 12 B22 13 C22 14 K18 33

34 15 K17 16 J18 17 K19 18 H20 19 H18 20 G18 21 H19 22 F19 23 F20 24 B20 25 A20 26 B19 27 A19 28 B18 29 A18 30 B17 31 A17 32 B16 33 A16 34 B15 35 A15 36 B14 37 GND 38 GND 39 P3V3 40 P3V3 ( 八 ) SD 卡扩展出来的 SD 卡, 支持 SPI 模式和 SD 模式 SD 卡原理图 34

35 引脚分配 : SD 模式 SD 卡实物图 SPI 模式引脚名称 FPGA 引脚引脚名称 FPGA 引脚 SD_NWP J22 SD_NWP J22 SD_CMD L22 SD_DI L22 SD_DA3 F17 SD_NCS F17 SD_CLK E15 SD_CLK E15 SD_DA0 K22 SD_DOUT K22 SD_DA1 L21 SD_DA2 F16 35

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FPGA视频处理开发平台用户手册 FPGA 视频处理开发平台用户手册 AV6045 REV 1.0 版芯驿电子科技 ( 上海 ) 有限公司黑金动力社区目录一简介... 4 二功能实现... 7 ( 一 ) 视频输入... 7 ( 二 ) 视频输出... 9 三 FPGA 核心板... 10 ( 一 ) 简介... 11 ( 二 ) DDR3 引脚分配... 错误! 未定义书签 ( 三 ) SPI Flash... 错误!

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