基于DE1-SoC的新型行车记录仪

【摘要】 本产品基于DE1-SoC开发板，通过V4L2方式进行图像的采集，与FPGA交互实时显示，用Ffmpeg方式实现图像的转换和储存，并通过网络让联网的移动设备和电脑实时显示。该设备能进行分辨率为640*480的图像采样，20fps的图像显示和存储。误码率低，性能可靠。

【关键词】 行车记录仪 图像采集 V4L2 FFmpeg

理论分析：

1、整体框架：

系统由五部分组成：视频采集、视频格式转换、视频编码存储、视频显示、视频网络服务。视频采集得到原始视频帧图片，经过视频格式转换分别得到各种图片图片格式，分三路传至视频编码存储、视频显示和视频网络服务作相应处理。

2、视频采集：视频采集有linux内嵌的v4l2框架来实现。先打开视频设备文件，确定本设备为视频捕捉设备，查询摄像头支持的格式，并设置。申请视频采集所需的内存块，再确定每个内存块的信息，将内存块的地址映射到用户空间，便于对视频数据直接处理。把内存块放入队列，启动设备开始采集，等待有数据并从队列中取出，可以得到原始图片数据，再将此内存块放入队列，循环进行采样。

3、视频格式转换设计：将原始图片数据判断作相应转换。视频网络服务器需用到Jpg格式数据；视频编码存储需用到yuv420格式数据；视频显示需用到rgb32格式数据。格式转换引入libjpeg库，以库个API进行编程。

4、视频网络服务端设计：创建一个单线程服务于网络服务端。新建socket，绑定本地IP和端口号，监听网络，一旦有客户端链接，创建一个线程，将格式转换产生的jpg图片数据发送至客户端，而主线程会一直监听网络。

5、视频编码存储：视频编码和存储是采用引FFmpeg库的API来实现。先对FFmpeg进行初始化，设置编码的格式和参数，打开编码库，打开目标存储文件，将格式转换产生的yuv420数据编码并存入目标存储文件。

6、视频显示：视频显示由FPGA来完成。ARM将格式转换生成的rgb32数据存入FPGA指定的空间，并发送控制指令开始FPGA显示即可。

PCB电路搭建：

1.系统时钟：PLL_Stream 组件产生108MHz 和 150MHz的频率，为整个显示模块提供时钟信号；PLL_Sdram 组件主要产生 120MHz 的时钟信号，来对 SDRAM 的控制读写操作。该模块是把各种添加的组件接口相互连接，组建成一个硬件系统。所需要的时钟信号都是由系统时钟间接提供的。为对SDRAM进行同步操作，所以hps_0 组件中的时钟信号h2d_axi_clock 与SDRAM 组件的时钟信号clock 以及 alt_vip_ vfr_0组件的时钟信号clock_master 采用同一时钟，本系统采用的是PLL 产生的pll_sdram.outclock0。主要使用了 Hard Processor System IP Cores、Frame Reader IP Cores、SDRAM Controller IP Cores、PLL_Altera IP Cores。是由 hps_0 来控制整个系统的运行，由pll_sdram 提供整个模块运行所需要的时钟信号，alt_vip_vfr_0 来读取内存的视频数据。

2：接口连接匹配：SDRAM 作为HPS向FPGA写数据缓存设备，同时也供 alt_vip_vfr_0 读取数据。所以 alt_vip_vfr_0的 Avalon master 接口也与sdram 的 salve 接口相连。HPS通过 light weight HPS-to-FPGA 接口与其 salve 接口连接实现。在系统中对这两个IP 分配Light weight HPS-to-FPGA Bridge地址空间中的基地址，供HPS 对IP模块进行寻址访问。

3：VGA显示：第一个图层和第二图层模块的显示是由LOG_Generate_0来实现的，主要是在显示屏上显示“郑州大学”字样。背景层是由 timing_adapter_0 和alt_vip_tpc_0 组件来实现。 显示控制模块主要由 Clocked Video Output 组件来实现，通过Avalon 接口与 Alpha Blending Mixer Avalon 接口相连接。直接输出 VGA 格式的视频图像在显示屏上。

结果分析：系统采集到的视频画面质量良好，清晰度高，是一种可行的行车记录仪解决方案。因系统中引入了各类格式转化库导致系统处理时间过长，导致fps降低，后续可将转化库进行整合，以达到优化转换时间，提高fps。

参 考 文 献

[1]《C程序设计语言（第2版）》Brian W.Kernighan Dennis M.Ritchie著机械工业出版社2012年

[2]《ARM&Linux嵌入式系统教程》，马忠梅等著 北京航空航天大学出版社，2004年

[3]《TCP/IP详解 卷1：协议》W.Richard Stevens著 机械工业出版社 2013年

[4]《Verilog 数字系统设计教程》夏宇闻 编著 北京航空航天大学出版社 2013年7月出版

[5]Altera 公司提供的数据手册 ：《Video and Image Processing Suite》和 《Embedded Peripheral IP User Guide》

[6]友晶科技提供培训教程：《DE1_SOC Training Matirial》