刘嘉轩，钱步仁，刘艳东，邹冬月，付思哲

（1.中国石油大学（北京）信息科学与工程学院，北京 102249；2.北京富力天创科技有限公司，北京 100085）

信息技术的发展越来越快，人们对显示设备性能的追求日益提高，一种高传输速率、高安全性、兼顾实时性与可靠性的数据传输总线是当前视频图像处理的迫切需要和发展趋势。以VXI、PCI、PCIe 为代表的总线设备被广泛应用到测试测量领域，但PCI、PCIe 等总线接口需要计算机进行插卡，设备不够灵活。4G-VAC 总线技术基于高速串行视频传输标准，采用具有高速串行收发器的Lattice 公司的ECP3 系列FPGA 实现，外围电路包括HDMI 信号接收、发送芯片和光纤收发器，具有传输速度快、抗干扰能力强、可靠性高、实时性好、拓扑结构灵活等优点。在大型场馆展览、交通指挥调度、公共安全管理、能源资源监控、广播电视通信、航行模拟训练等领域具有广泛的应用前景和深厚的市场潜力。由于FPGA 运行速度快、运算能力强，还具有管脚丰富、高集成度、可移植性、可扩展性、通用性和灵活性的优点，可以达到数据实时采集与显示的效果，在设计和实现视频处理系统上更加出众。

1 系统结构及原理

4G-VAC 总线可以进行双向多节点串行数字通信，相较于传统的现场总线，其具有高度私有化、保密性高、安全性好的优点。4G-VAC 总线是双向收发的串行总线，其中4G 表示传输速度，V 表示Video（视频），A 表示Audio（音频），C 表示Control（控制），即4G-VAC 总线可以实现音视频信息的高速传输。

4G-VAC 总线结构如图1 所示，整体结构包括数据信号、中央处理单元FPGA 和光纤线，其中FPGA 包括数据选择器MUX 和并串转换模块。视频信息、音频信息、串口信息、鼠标键盘信息和红外信息在发送端经过多路信息叠加模块、并串转换模块处理，通过光纤线连接接收端，在接收端使用串并转换模块和多路信息解嵌模块进行处理。经实验设计验证，4G-VAC 总线可以实现视频信息的双向收发和其他信息的单向传输。

图1 4G-VAC 总线结构图

2 系统硬件设计

将4G-VAC 总线应用到基于FPGA 的收发器设计上，进行进一步的研究与应用。在基于FPGA 的4GVAC 总线收发器设计中，发送端由型号Lattice LFE3-70EA-8FN672C 的FPGA 作 为 主芯片，由HDMI 输入 芯片、音频A/D 转换电路、串口模块、鼠标键盘模块、红外模块和光纤发送模块构成外围硬件电路。接收端由型号为Lattice LFE3-70EA-8FN672C 的FPGA 作为主芯片，由视频输出模块、音频D/A 转换电路、串口模块、鼠标键盘模块、红外模块和光纤接收模块构成外围硬件电路，发送端和接收端通过光纤线连接。

2.1 视频信息传输

在视频信息传输功能中，发送端接收外部的HDMI信号，通过HDMI 解码芯片，产生Y[9：0]、C[9：0]、HS、VS、DE、CLK 信号，其中Y[9：0]、C[9：0]代表20 位的数据信号，HS、VS、DE 代表视频传输协议中的行场同步和有效信号，CLK 是时钟信号。将上述信号交给FIFO 进行缓存处理，Y[9：0]、C[9：0]、HS、VS、DE 匹配BT1120 协议，时钟信号CLK 经过锁相环PLL 处理，产生参考时钟refclk 并作用 于IP 核，IP 核 产 生的时钟tx_half_clk 是最终进行数据处理的时钟，这样做的目的是让时钟更加稳定。经过BT1120 协议匹配后剩余的视频数据信号Y[9：0]、C[9：0]和时钟信号tx_half_clk，再交由IP 核进行处理，将处理后的信号通过光纤输出。接收端通过光纤模块接收到前端处理信号，经由IP 核处理检测视频传输标志位EAV、SAV，交由DDR 进行缓存处理，产生Y、C、HS、VS、DE 信号，传输至HDMI 编码芯片，即可输出HDMI 信号。在上述过程中，传输的视频分辨率为1 080P@60 Hz，所用的时钟频率为148.5 MHz，IP 核包括PCS 和SDI_PHY。视频传输结构图如图2 所示。

图2 视频传输结构图

2.2 音频信息传输

视频传输区域包括有效区和消隐区，以分辨率1 080P@60 Hz 为例，全部像素点为2 200×1 125，有效像素点为1 920×1 080，1 s 传输60 帧数据。在1 帧画面中，1 920×1 080 是有效区，负责传输视频图像信号，其余不传输视频图像的区域称为消隐区；消隐区可以传输音频信号、串口信息、鼠标键盘信息、红外信息等多种信息。本文设计音频IIS 格式接收模块，可以将串行的音频信号转换为24 bit 并行音频信号提供给后端嵌入模块。IIS 音频信号包括3.072 MHz 串行时钟信号SCLK、48 kHz 帧时钟信号LRCLK、串行数据信号SDATA 和12.288 MHz 主时钟信号MCLK。将24 bit 音频信号嵌入视频流C 通道的消隐区，经由4G-VAC 总线处理，发送端选择0 通道，通过Verilog 语言编程控制，将tx_half_clk_ch0 作为驱动时钟，把上述信号嵌入视频流并 输 出ch0_data_out，ch0_data_out 通 过sdi_phy 输 出rxdata，经由FPGA 处理，再转换为串行信号经过光纤传输给接收端。接收端同理，选择1 通道进行信号解嵌，将rx_half_clk_ch1 作为驱动时钟，数据流经由pcs_sdi、sdi_phy 输出phy_pd_out1，同时锁定sdi_lock1，即可解嵌出IIS 音频信号，可以通过音箱进行演示。音频传输结构图如图3 所示。

图3 音频传输结构图

2.3 串口信息传输

串口数据由起始位、8 位数据位、校验位和停止位组成。开始发送数据时，传输线路由高电平变为低电平，开始传输8 bit的有效数据位；然后是奇偶校验位和停止位。串口信息是单比特信息，按照串口规范的约定，先传字节的最低位，然后传次低位，最后传字节的最高位。将发送端和接收端连接好后，设置波特率为57 600 b/s，发送端计算机通过串口数据窗口发送英文字母、数字、汉字等数据，经由FPGA、4G-VAC 总线和外围电路联合处理串口命令，将1 bit 串口命令转换为8 bit 信息嵌入视频流；接收端通过串口数据窗口收到相应的英文字母、数字和汉字信息，实现一路串口数据收发。实验过程中，将串口信息嵌入第24，26行，成功实现串口信息的收发。

2.4 鼠标键盘信息传输

鼠标键盘信息是USB 信号，操作人员使用鼠标或键盘时，通过9350 芯片把鼠标、键盘的信息转换成串口的信息，再将1 bit 串口命令转换为8 bit 信息嵌入视频流，经过FPGA、4G-VAC 总线和外围电路联合处理，得到加载鼠标键盘信息的视频流。将视频流通过光纤模块传输到接收端并解嵌鼠标键盘信息，经过串并转换和MUX 处理，变成1 bit 数据流发送给9350 芯片进行处理，即可通过此信息控制主机端计算机。实验时选择在第20，22 行嵌入鼠标键盘数据，同样也要在接收端第20，22 行解嵌鼠标键盘数据。

2.5 红外信息传输

本文设计了支持NEC 协议的红外接收模块，发送端接收到数据进行解调，按NEC 协议解码，嵌入视频流第28 行后发送。接收端在视频流第28 行解嵌出红外信号，按NEC 协议进行编码、调制后得到红外数据。串口、键鼠、红外信息传输结构图如图4 所示。

图4 串口、键鼠、红外信息传输结构图

如图5 所示，NEC 红外传输协议通过控制脉冲宽度实现信息位传送，每个脉冲高电平的宽度为560 μs，通过38 kHz 的负载波发送出去。NEC 红外传输协议规定了两种码元格式，分别是码元0 和码元1。码元0 由560 μs 的高电平和560 μs 的低电平构成，总传输时间为1.125 ms。码元1 由560 μs 的高电平和1 680 μs 的低电平构成，总传输时间为2.25 ms。将编码数据放到一定频率的载波上面，即使用数据调制载波，形成一串脉冲信号。最终通过高低电平的变化，产生一串脉冲信号，通过示波器观察调制后信号，有载波波形的部分即为原始信号高电平的部分。

图5 红外信息传输协议NEC 的编码方式和调制方式

在实验过程中，尝试了按下一个键和长按一个键两种控制方式。在遥控器上按下一个键时，发送的消息由9 ms 的高电平引导脉冲、4.5 ms 的低电平、8 位设备地址、8 位设备地址反码、8 位命令、8 位命令反码、560 μs高电平脉冲构成，1 个消息帧长度为67.5 ms。长按1 个键时，发出重复代码，在消息结束脉冲发射40 ms 之后，重复代码将继续以108 ms 间隔发送，直到按键最终被释放。重复代码由9 ms 高电平引导脉冲、2.25 ms 低电平脉冲、560 μs 高电平脉冲组成。两种方式都可以实现红外信息的传输。

3 系统软件设计

视频数据输入后检测到HS、VS、DE、CLK 信号，便开始进行行、场方向计数并存储像素点信息，经4GVAC 总线处理后通过光纤线输出。在接收端，通过光纤线输入光纤信号进行PCS 串并转换，产生时钟信号，检测到LOCK、EAV、SAV 标志后，使用DDR3 对视频流信息进行帧缓存，根据像素点解析Y，C 数据并输出。系统软件设计流程见图6，串口信息时序图见图7。同理，音频信息、串口信息、鼠标键盘信息、红外信息嵌入到视频流中的黑场，跟随视频流一起传输，经过4G-VAC 总线处理，在接收端解嵌出来，实现视频信息的双向收发和其他信息的单向传输。

图6 系统软件设计流程

图7 串口信息时序图

4 结 语

基于FPGA 的4G-VAC 总线收发器实现了视频信息的双向收发和音频信息、串口信息、鼠标键盘信息、红外信息的单向传输，在实现多功能信息传输的同时保证速度快、低时延。4G-VAC 总线基于独立协议，具备安全性强、同步性好、私密性高的优点，非常适用于大型油田、国防军工等领域。4G-VAC 总线还可以扩展功能，加入网络信息和OSD菜单功能，应用于光纤KVM 坐席协作管控系统，实现信息共享和应急指挥功能。采用FPGA 进行数字逻辑电路设计的嵌入式电子系统具有设计灵活、易于维护、研制周期短、集成度高的优点，非常适合应用于广播电视技术、视频图像处理领域，在军事装备、智能家居、智慧城市等领域也有广泛的应用前景。