劉嘉軒，錢步仁，劉艷東，鄒冬月，付思哲

（1.中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102249；2.北京富力天創(chuàng)科技有限公司，北京 100085）

信息技術(shù)的發(fā)展越來越快，人們對顯示設(shè)備性能的追求日益提高，一種高傳輸速率、高安全性、兼顧實(shí)時性與可靠性的數(shù)據(jù)傳輸總線是當(dāng)前視頻圖像處理的迫切需要和發(fā)展趨勢。以VXI、PCI、PCIe 為代表的總線設(shè)備被廣泛應(yīng)用到測試測量領(lǐng)域，但PCI、PCIe 等總線接口需要計算機(jī)進(jìn)行插卡，設(shè)備不夠靈活。4G-VAC 總線技術(shù)基于高速串行視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)，采用具有高速串行收發(fā)器的Lattice 公司的ECP3 系列FPGA 實(shí)現(xiàn)，外圍電路包括HDMI 信號接收、發(fā)送芯片和光纖收發(fā)器，具有傳輸速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)時性好、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點(diǎn)。在大型場館展覽、交通指揮調(diào)度、公共安全管理、能源資源監(jiān)控、廣播電視通信、航行模擬訓(xùn)練等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和深厚的市場潛力。由于FPGA 運(yùn)行速度快、運(yùn)算能力強(qiáng)，還具有管腳豐富、高集成度、可移植性、可擴(kuò)展性、通用性和靈活性的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時采集與顯示的效果，在設(shè)計和實(shí)現(xiàn)視頻處理系統(tǒng)上更加出眾。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

4G-VAC 總線可以進(jìn)行雙向多節(jié)點(diǎn)串行數(shù)字通信，相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線，其具有高度私有化、保密性高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)。4G-VAC 總線是雙向收發(fā)的串行總線，其中4G 表示傳輸速度，V 表示Video（視頻），A 表示Audio（音頻），C 表示Control（控制），即4G-VAC 總線可以實(shí)現(xiàn)音視頻信息的高速傳輸。

4G-VAC 總線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整體結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)信號、中央處理單元FPGA 和光纖線，其中FPGA 包括數(shù)據(jù)選擇器MUX 和并串轉(zhuǎn)換模塊。視頻信息、音頻信息、串口信息、鼠標(biāo)鍵盤信息和紅外信息在發(fā)送端經(jīng)過多路信息疊加模塊、并串轉(zhuǎn)換模塊處理，通過光纖線連接接收端，在接收端使用串并轉(zhuǎn)換模塊和多路信息解嵌模塊進(jìn)行處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計驗(yàn)證，4G-VAC 總線可以實(shí)現(xiàn)視頻信息的雙向收發(fā)和其他信息的單向傳輸。

圖1 4G-VAC 總線結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

將4G-VAC 總線應(yīng)用到基于FPGA 的收發(fā)器設(shè)計上，進(jìn)行進(jìn)一步的研究與應(yīng)用。在基于FPGA 的4GVAC 總線收發(fā)器設(shè)計中，發(fā)送端由型號Lattice LFE3-70EA-8FN672C 的FPGA 作 為 主芯片，由HDMI 輸入 芯片、音頻A/D 轉(zhuǎn)換電路、串口模塊、鼠標(biāo)鍵盤模塊、紅外模塊和光纖發(fā)送模塊構(gòu)成外圍硬件電路。接收端由型號為Lattice LFE3-70EA-8FN672C 的FPGA 作為主芯片，由視頻輸出模塊、音頻D/A 轉(zhuǎn)換電路、串口模塊、鼠標(biāo)鍵盤模塊、紅外模塊和光纖接收模塊構(gòu)成外圍硬件電路，發(fā)送端和接收端通過光纖線連接。

2.1 視頻信息傳輸

在視頻信息傳輸功能中，發(fā)送端接收外部的HDMI信號，通過HDMI 解碼芯片，產(chǎn)生Y[9：0]、C[9：0]、HS、VS、DE、CLK 信號，其中Y[9：0]、C[9：0]代表20 位的數(shù)據(jù)信號，HS、VS、DE 代表視頻傳輸協(xié)議中的行場同步和有效信號，CLK 是時鐘信號。將上述信號交給FIFO 進(jìn)行緩存處理，Y[9：0]、C[9：0]、HS、VS、DE 匹配BT1120 協(xié)議，時鐘信號CLK 經(jīng)過鎖相環(huán)PLL 處理，產(chǎn)生參考時鐘refclk 并作用 于IP 核，IP 核 產(chǎn) 生的時鐘tx_half_clk 是最終進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時鐘，這樣做的目的是讓時鐘更加穩(wěn)定。經(jīng)過BT1120 協(xié)議匹配后剩余的視頻數(shù)據(jù)信號Y[9：0]、C[9：0]和時鐘信號tx_half_clk，再交由IP 核進(jìn)行處理，將處理后的信號通過光纖輸出。接收端通過光纖模塊接收到前端處理信號，經(jīng)由IP 核處理檢測視頻傳輸標(biāo)志位EAV、SAV，交由DDR 進(jìn)行緩存處理，產(chǎn)生Y、C、HS、VS、DE 信號，傳輸至HDMI 編碼芯片，即可輸出HDMI 信號。在上述過程中，傳輸?shù)囊曨l分辨率為1 080P@60 Hz，所用的時鐘頻率為148.5 MHz，IP 核包括PCS 和SDI_PHY。視頻傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 視頻傳輸結(jié)構(gòu)圖

2.2 音頻信息傳輸

視頻傳輸區(qū)域包括有效區(qū)和消隱區(qū)，以分辨率1 080P@60 Hz 為例，全部像素點(diǎn)為2 200×1 125，有效像素點(diǎn)為1 920×1 080，1 s 傳輸60 幀數(shù)據(jù)。在1 幀畫面中，1 920×1 080 是有效區(qū)，負(fù)責(zé)傳輸視頻圖像信號，其余不傳輸視頻圖像的區(qū)域稱為消隱區(qū)；消隱區(qū)可以傳輸音頻信號、串口信息、鼠標(biāo)鍵盤信息、紅外信息等多種信息。本文設(shè)計音頻IIS 格式接收模塊，可以將串行的音頻信號轉(zhuǎn)換為24 bit 并行音頻信號提供給后端嵌入模塊。IIS 音頻信號包括3.072 MHz 串行時鐘信號SCLK、48 kHz 幀時鐘信號LRCLK、串行數(shù)據(jù)信號SDATA 和12.288 MHz 主時鐘信號MCLK。將24 bit 音頻信號嵌入視頻流C 通道的消隱區(qū)，經(jīng)由4G-VAC 總線處理，發(fā)送端選擇0 通道，通過Verilog 語言編程控制，將tx_half_clk_ch0 作為驅(qū)動時鐘，把上述信號嵌入視頻流并 輸 出ch0_data_out，ch0_data_out 通 過sdi_phy 輸 出rxdata，經(jīng)由FPGA 處理，再轉(zhuǎn)換為串行信號經(jīng)過光纖傳輸給接收端。接收端同理，選擇1 通道進(jìn)行信號解嵌，將rx_half_clk_ch1 作為驅(qū)動時鐘，數(shù)據(jù)流經(jīng)由pcs_sdi、sdi_phy 輸出phy_pd_out1，同時鎖定sdi_lock1，即可解嵌出IIS 音頻信號，可以通過音箱進(jìn)行演示。音頻傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 音頻傳輸結(jié)構(gòu)圖

2.3 串口信息傳輸

串口數(shù)據(jù)由起始位、8 位數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位和停止位組成。開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳輸線路由高電平變?yōu)榈碗娖?，開始傳輸8 bit的有效數(shù)據(jù)位；然后是奇偶校驗(yàn)位和停止位。串口信息是單比特信息，按照串口規(guī)范的約定，先傳字節(jié)的最低位，然后傳次低位，最后傳字節(jié)的最高位。將發(fā)送端和接收端連接好后，設(shè)置波特率為57 600 b/s，發(fā)送端計算機(jī)通過串口數(shù)據(jù)窗口發(fā)送英文字母、數(shù)字、漢字等數(shù)據(jù)，經(jīng)由FPGA、4G-VAC 總線和外圍電路聯(lián)合處理串口命令，將1 bit 串口命令轉(zhuǎn)換為8 bit 信息嵌入視頻流；接收端通過串口數(shù)據(jù)窗口收到相應(yīng)的英文字母、數(shù)字和漢字信息，實(shí)現(xiàn)一路串口數(shù)據(jù)收發(fā)。實(shí)驗(yàn)過程中，將串口信息嵌入第24，26行，成功實(shí)現(xiàn)串口信息的收發(fā)。

2.4 鼠標(biāo)鍵盤信息傳輸

鼠標(biāo)鍵盤信息是USB 信號，操作人員使用鼠標(biāo)或鍵盤時，通過9350 芯片把鼠標(biāo)、鍵盤的信息轉(zhuǎn)換成串口的信息，再將1 bit 串口命令轉(zhuǎn)換為8 bit 信息嵌入視頻流，經(jīng)過FPGA、4G-VAC 總線和外圍電路聯(lián)合處理，得到加載鼠標(biāo)鍵盤信息的視頻流。將視頻流通過光纖模塊傳輸?shù)浇邮斩瞬⒔馇妒髽?biāo)鍵盤信息，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換和MUX 處理，變成1 bit 數(shù)據(jù)流發(fā)送給9350 芯片進(jìn)行處理，即可通過此信息控制主機(jī)端計算機(jī)。實(shí)驗(yàn)時選擇在第20，22 行嵌入鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)，同樣也要在接收端第20，22 行解嵌鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)。

2.5 紅外信息傳輸

本文設(shè)計了支持NEC 協(xié)議的紅外接收模塊，發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，按NEC 協(xié)議解碼，嵌入視頻流第28 行后發(fā)送。接收端在視頻流第28 行解嵌出紅外信號，按NEC 協(xié)議進(jìn)行編碼、調(diào)制后得到紅外數(shù)據(jù)。串口、鍵鼠、紅外信息傳輸結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 串口、鍵鼠、紅外信息傳輸結(jié)構(gòu)圖

如圖5 所示，NEC 紅外傳輸協(xié)議通過控制脈沖寬度實(shí)現(xiàn)信息位傳送，每個脈沖高電平的寬度為560 μs，通過38 kHz 的負(fù)載波發(fā)送出去。NEC 紅外傳輸協(xié)議規(guī)定了兩種碼元格式，分別是碼元0 和碼元1。碼元0 由560 μs 的高電平和560 μs 的低電平構(gòu)成，總傳輸時間為1.125 ms。碼元1 由560 μs 的高電平和1 680 μs 的低電平構(gòu)成，總傳輸時間為2.25 ms。將編碼數(shù)據(jù)放到一定頻率的載波上面，即使用數(shù)據(jù)調(diào)制載波，形成一串脈沖信號。最終通過高低電平的變化，產(chǎn)生一串脈沖信號，通過示波器觀察調(diào)制后信號，有載波波形的部分即為原始信號高電平的部分。

圖5 紅外信息傳輸協(xié)議NEC 的編碼方式和調(diào)制方式

在實(shí)驗(yàn)過程中，嘗試了按下一個鍵和長按一個鍵兩種控制方式。在遙控器上按下一個鍵時，發(fā)送的消息由9 ms 的高電平引導(dǎo)脈沖、4.5 ms 的低電平、8 位設(shè)備地址、8 位設(shè)備地址反碼、8 位命令、8 位命令反碼、560 μs高電平脈沖構(gòu)成，1 個消息幀長度為67.5 ms。長按1 個鍵時，發(fā)出重復(fù)代碼，在消息結(jié)束脈沖發(fā)射40 ms 之后，重復(fù)代碼將繼續(xù)以108 ms 間隔發(fā)送，直到按鍵最終被釋放。重復(fù)代碼由9 ms 高電平引導(dǎo)脈沖、2.25 ms 低電平脈沖、560 μs 高電平脈沖組成。兩種方式都可以實(shí)現(xiàn)紅外信息的傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

視頻數(shù)據(jù)輸入后檢測到HS、VS、DE、CLK 信號，便開始進(jìn)行行、場方向計數(shù)并存儲像素點(diǎn)信息，經(jīng)4GVAC 總線處理后通過光纖線輸出。在接收端，通過光纖線輸入光纖信號進(jìn)行PCS 串并轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生時鐘信號，檢測到LOCK、EAV、SAV 標(biāo)志后，使用DDR3 對視頻流信息進(jìn)行幀緩存，根據(jù)像素點(diǎn)解析Y，C 數(shù)據(jù)并輸出。系統(tǒng)軟件設(shè)計流程見圖6，串口信息時序圖見圖7。同理，音頻信息、串口信息、鼠標(biāo)鍵盤信息、紅外信息嵌入到視頻流中的黑場，跟隨視頻流一起傳輸，經(jīng)過4G-VAC 總線處理，在接收端解嵌出來，實(shí)現(xiàn)視頻信息的雙向收發(fā)和其他信息的單向傳輸。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

圖7 串口信息時序圖

4 結(jié) 語

基于FPGA 的4G-VAC 總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了視頻信息的雙向收發(fā)和音頻信息、串口信息、鼠標(biāo)鍵盤信息、紅外信息的單向傳輸，在實(shí)現(xiàn)多功能信息傳輸?shù)耐瑫r保證速度快、低時延。4G-VAC 總線基于獨(dú)立協(xié)議，具備安全性強(qiáng)、同步性好、私密性高的優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大型油田、國防軍工等領(lǐng)域。4G-VAC 總線還可以擴(kuò)展功能，加入網(wǎng)絡(luò)信息和OSD菜單功能，應(yīng)用于光纖KVM 坐席協(xié)作管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息共享和應(yīng)急指揮功能。采用FPGA 進(jìn)行數(shù)字邏輯電路設(shè)計的嵌入式電子系統(tǒng)具有設(shè)計靈活、易于維護(hù)、研制周期短、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于廣播電視技術(shù)、視頻圖像處理領(lǐng)域，在軍事裝備、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。