蔡昌勇　朱靜　蒲虹橋　梁穎

摘要：模擬監(jiān)控由于在圖像質(zhì)量、監(jiān)控范圍上具有較大的局限性，但由于其易于部署、易于應(yīng)用以及突出的價(jià)格優(yōu)勢(shì)等諸多特點(diǎn)，它仍然廣泛部署于各銀行系統(tǒng)之中。然而，無線模擬視頻監(jiān)控信號(hào)能夠被區(qū)域內(nèi)所有的接收設(shè)備接收，因此，對(duì)于敏感區(qū)域或有隱私保護(hù)需求的家庭安防監(jiān)控等應(yīng)用就受到了極大的限制。該文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的無線模擬視頻加、解密系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)CVBS視頻信號(hào)的加密處理，以防止無線視頻信號(hào)被他人接收，造成銀行安全隱患。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以推廣到其他行業(yè)短距離無線模擬視頻監(jiān)控應(yīng)用中，具備非常好的實(shí)用價(jià)值及市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；FPGA；CVBS

1概述

隨著人類社會(huì)工業(yè)化的進(jìn)程，資本運(yùn)作頻率和貨幣流通速度越來越快。與此同時(shí)，城市化帶來的交通便利，人員流通的加快，以及通訊行業(yè)的快速發(fā)展，也為金融行業(yè)的安全防范帶來了巨大的工作壓力。因此對(duì)安防視頻監(jiān)控需求的不斷提高，安防監(jiān)控產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。視頻監(jiān)控以信號(hào)傳輸?shù)牟煌譃橛芯€和無線兩種方式，相比有線視頻監(jiān)控來說，無線視頻監(jiān)控具有成本低、可擴(kuò)展能力強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低以及施工難度低等諸多優(yōu)勢(shì)。視頻監(jiān)控以信號(hào)格式又分為模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控，雖然模擬監(jiān)控由于在圖像質(zhì)量、監(jiān)控范圍上具有較大的局限性，但由于其易于部署、易于應(yīng)用以及突出的價(jià)格優(yōu)勢(shì)等諸多特點(diǎn)，它仍然廣泛部署于各銀行之中。

然而，無線模擬視頻監(jiān)控信號(hào)能夠被區(qū)域內(nèi)所有的接收設(shè)備接收，因此，對(duì)于敏感區(qū)域或有隱私保護(hù)需求的家庭安防監(jiān)控等應(yīng)用就受到了極大的限制。本文設(shè)計(jì)了一款基于FPGA的無線模擬視頻加、解密系統(tǒng)，以防止無線視頻信號(hào)被他人接收，造成銀行安全隱患。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以推廣到其他行業(yè)短距離無線模擬視頻監(jiān)控應(yīng)用中，具備非常好的實(shí)用價(jià)值及市場(chǎng)前景。

2方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)全電視信號(hào)解碼電路，完成普通模擬攝像頭輸出信號(hào)的數(shù)字化及同步信號(hào)分離工作；基于CPLD/FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)的加密工作；同時(shí)設(shè)計(jì)全電視信號(hào)編碼電路，在CPLD/FPGA的驅(qū)動(dòng)下將加密后的視頻數(shù)據(jù)還原成全電視信號(hào)，如圖1所示。

系統(tǒng)采用軟硬件結(jié)合的方式，基于BT.656標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件開發(fā)，視頻信號(hào)采用CVBS（compositeVideoBroadcast Signal）格式輸出。視頻輸入后需要對(duì)圖形進(jìn)行解碼，分離同步信號(hào)，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)暫存起來并進(jìn)行加密處理，在解密端，解密完成后需將圖像數(shù)據(jù)按照BT656協(xié)議合成，在經(jīng)過編碼器輸出CVBS信號(hào)。BT656協(xié)議定義了行場(chǎng)消隱信號(hào)及圖像數(shù)據(jù)的格式，數(shù)據(jù)輸出速率為70M，普通單片機(jī)無法處理，必須采用DSP、FPGA等。

系統(tǒng)主要采用FPGA芯片EPlC3T100C8和ATMEGA48PA單片機(jī)為核心構(gòu)建，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了高效且穩(wěn)定的電源電路，信號(hào)的解碼和加密分別由極低功耗視頻解碼器芯片TVP5150和數(shù)字視頻編碼器芯片CS4954完成。

3電源設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)視頻傳輸速率70M，視頻信號(hào)的解密和加密均需要穩(wěn)定的電源系統(tǒng)來保障，同時(shí)FPGA對(duì)電源的要求也較為復(fù)雜，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多層次的供電系統(tǒng)，同時(shí)輔以完善的電源穩(wěn)定保障措施來保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，包括完善的濾波電路、模擬地?cái)?shù)字地分離、多層PCB分隔電路等，如圖2所示。

系統(tǒng)采用9V直流電源供電，攝像頭直接取電，使用MP2259穩(wěn)壓到5V，如圖3所示。MP2259是一個(gè)單片內(nèi)部集成了降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)了1A連續(xù)輸出電流下在4.5V至16V的寬輸入范圍操作內(nèi)出色的負(fù)載及電壓調(diào)節(jié)，其電流模式工作可提供了快速瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的簡(jiǎn)化環(huán)路，發(fā)生故障條件下可逐周期電流限制保護(hù)和熱關(guān)機(jī)，使系統(tǒng)對(duì)電源的需求不再嚴(yán)苛，避免了不穩(wěn)定的供電電壓造成的數(shù)據(jù)抖動(dòng)。

MCU單片機(jī)供電電壓需求為3.3V，采用LM1117-33用來得到MCU所需的3.3V電壓，如圖4所示。上述得到的電壓除了供給MCU之外，也是FPGA供電電壓的來源之一。眾所周知，F(xiàn)PGA的供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，此處采用LM1117-1.5-0.8A來實(shí)現(xiàn)FPGA系統(tǒng)的0.8V供電，如圖5所示。

FPGA接收的數(shù)字視頻信號(hào)供電要求極為嚴(yán)格，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了完善的濾波電路來保障電源的穩(wěn)定運(yùn)行，如圖6所示。

模擬視頻信號(hào)處理部分由于涉及模擬接地與數(shù)字接地的交匯問題，尤為重要，處理不好將會(huì)導(dǎo)致視頻信號(hào)中的噪聲，模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間采用電感與磁珠隔離，如圖7所示。為了保證信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，不會(huì)被電源系統(tǒng)影響，本項(xiàng)目采用四層電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大程度地避免了電源的干擾問題。

4 MCU控制電路及FPGA核心電路

MCU控制電路由ATMEGA48PA單片機(jī)來完成，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的切換與控制。

FPGA電路包括FPGA芯片EPlC3T100C8，F(xiàn)PGA外圍電路包括兩塊靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)芯片IS61LV5128AL-10TI進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。ALTERA Cyclone系列的fpga是altera公司針對(duì)底端用戶推出的一個(gè)系列的fpga。具有成本低，使用的方便的優(yōu)點(diǎn)，規(guī)模從3000到20000LE。與本項(xiàng)目所追求的低成本方案非常契合。

因篇幅限制，電路圖暫未給出。

5解碼與加密電路

解碼和加密電路分別基于極低功耗視頻解碼器芯片TVP5150和數(shù)字視頻編碼器芯片CS4954進(jìn)行設(shè)計(jì)。

TVP5150系列是一顆使用簡(jiǎn)易，超低功耗，封裝極小的數(shù)字視頻解碼器。使用單一14.31818MHz時(shí)鐘就可以實(shí)現(xiàn)PAL/NTSC/SECAM各種制式的解碼，輸出8-bit 1TU-R BT.656數(shù)據(jù)，也可輸出分離同步。MCU通過標(biāo)準(zhǔn)12C接口控制TVP5150的諸多參數(shù)，比如色調(diào)，對(duì)比度，亮度，飽和度和銳度等等。TVP5150內(nèi)部的VBI處理器可以分離解析出VBI（verti—cal Blanking Interval）里面的teletext，closed caption等等信息。TVP5150應(yīng)用電路如圖8所示。

CS4954能夠?qū)?-bitYUV、8-bit YCbCr或ITU-R BT.656信號(hào)轉(zhuǎn)變成PAL/NTSC復(fù)合視頻信號(hào)、Y/C（S-Vide0）信號(hào)和RGB或YPbPr信號(hào)。CS4954主要由視頻時(shí)序產(chǎn)生器、輸入視頻格式化、載波同步、色度通道、亮度通道、RGB和YUV分量通道、DA轉(zhuǎn)換器等部分組成，CS4954的功能框圖如圖9所示。

6結(jié)論

FPGA因其高速的數(shù)據(jù)處理能力在圖像、視頻傳輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的基于FPGA無線視頻加密解密系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CVBS信號(hào)的解碼與編碼，使視頻監(jiān)控信號(hào)能夠安全地進(jìn)行無線傳輸，本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用于金融行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，取得了較好的效果。