基于FPGA的虚拟演播室数据采集系统设计.pdf

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1、422011年1月中国制造业信息化第40卷第1期基于FPGA的虚拟演播室数据采集系统设计唐虹，石峰，怀时卫，刘晨昊(西北工业大学机电学院，陕西西安710072)摘要：针对当今虚拟演播室中机电跟踪系统存在的不足，研究和设计了一种新型摄像机运动参数的数据采集系统对数据采集卡硬件整体设计进行了阐述，提出了FPGA控制芯片各模块的设计方法，并给出了仿真结果。仿真结果表明，数据采集系统达到了设计要求，可以做到传输距离短、精度高、抗干扰能力强，具有很高的应用价值关键词：数据采集；FPGA；虚拟演播室：编码器中图分类号：TP274．2文献标识码：A文章编号：1672—1616(2011)01—

2、0042—04随着电视、网络、视频等技术的迅猛发展，虚拟处理时间长、有延时、获得摄像机运动参数精度低演播室系统(VirtualStudioSystem，VSS)在节目制等缺点，这些缺点将严重影响到视频合成的效果。作方面起着越来越重要的作用。同时，对摄像机平因此，需要设计出一种新型数据采集系统，将数据遥(pan)、俯仰(tilt)、变焦(zoom)3种位置参数的采集卡集成到云台中，缩短位置传感信号传输距离，数据采集系统又是VSS中的关键技术之～。这个解决传输过程抗干扰问题，提高传输速度和精度。系统主要任务是对摄像机进行实时跟踪，将位置参数传给上位机，确定摄像机、主持人和虚拟背景之1

3、系统总体设计间的关系，最终使真实电视演播视觉空『口J与三维虚新虚拟演播室数据采集系统的总体设计框拟场景完全一致，制作具有视觉冲击的电视节图如图1所示，即在摄像机和摄像机云台上安装三目[。路编码器，采集到摄像机pan、tilt和zoom3种运动目前对摄像机空间动态运动数据的跟踪方法变化参数，将编码器脉冲信号传输到数据采集卡，主要有采用图像分析识别跟踪法、红外线跟踪法和利用FPGA芯片对数据进行处理后，通过接口模超声波跟踪法l_2J，这几种方法普遍存在诸如数据块传送给上位机，做到采集数据及时、准确。图1系统总体设计框图编码器选择增量式光电旋转编码器3。增量信号，并组合成A，B，C，D

4、，每个正弦波相差90。相式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这位差，将C，D信号反向，叠加在A，B两相上，可增个电信号转换成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移强稳定信号；每转一周输出一个z相脉冲以代表的大小。增量式编码器的内部结构为一个巾心，带零位参考位。由于A，B的相位差为90。，可通过比有轴光电码盘，其上有环形刻线，获得4组正弦波较A相在前还是B相在前，来判断编码器是正转收稿日期：2010—08侣基金项目：西北工业大学研究生创业种子基金资助项H(Z2010019)作者简介：唐虹(1957一)，男，重庆人，西北工业大学教授，主要研究方向为机电控制与自动化。·智能控制技术·唐虹

5、石峰怀时卫等基于FPGA的虚拟演播室数据采集系统设计43还是反转，编码器原理图如图2所示。2．2输入输出接口设计编码器需要5V电源供电，其电源来自数据采A相厂]『_]厂]厂_]j集卡的电源电路。同时，A，B相输出脉冲要经过信B相厂]厂_]厂_]厂]号整形后连接到FPGA管脚。这是因为在应用FP—GA的计数器功能时往往会碰到与输入脉冲信号的编码器正转脉冲电平不匹配问题，旋转编码器在传输过程中会A相广]厂]厂_]厂]I产生脉冲奇变，脉冲的前后沿没有达到响应标准，形成上升、下降沿口响应速度不够。尤其是虚拟演播B相r-]厂]厂]厂_]f室复杂的现场易受纵向和横向电磁干扰，不能忽略系统设计

6、的整体概念，因此设计选用CI)g)IO6BC施编码器反转密特触发器对输出的脉冲信号进行整形。图2编码器原理图输出接口采用以太网(Ethernet)数据传输，解决PCI传输方式存在的缺点l5j，可将板卡集成在2数据采集卡硬件整体设计云台中，缩短传输距离，有效提高传输速度和精度。本设计使用FPGA芯片对光电编码器输出的以太网控制器选用CIRRUSL(IC公司生产的信号进行采集计算，实现小型化、集成化，同时能够CS8900A芯片。该芯片包含片上RAM、10Base—进行较高频率的数据处理。整个数据采集系统的T传输和接收滤波器，直接接人ISA总线接口。该绝大部分数据处理工作都在FPGA芯

7、片中进行，芯片的突出特点是使用灵活，其物理层接口、数据这大大简化了电路板的复杂程度，节省了空间，提传输模式和工作模式等都能根据需要而动态调制，高了工作效率。数据采集卡结构图如图3所示。通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。工作流程如图4所示。图3数据采集卡结构I2．1FPGA芯片的选择与研究经过对比和研究，设计使用的FPGA芯片是图4系统工作流程A1tera公司cyclone系列的EPIC6T144CSN，具体2．3板卡其他部件设计参数见表1。这一款器件平衡了逻辑、存储器、锁