Kintex-7、Zynq-7045/7100評估板如何實現(xiàn)FPGA的兩種SDI視頻方案（GTX+外接芯片）

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前言
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/ n( v# R6 W6 F$ G! _  wSDI接口，全稱是“數(shù)字分量串行接口(Serial Digital Interface)”。按速率可分為標準清新度SD-SDI、高清標準HD-SDI和3G-SDI，其對應速率分別是270Mb/s、1.485Gb/s和2.97Gb/s。目前在航空航天、軍事、醫(yī)療、交通等領域，SDI的應用廣泛度僅次于CameraLink接口。
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SDI接口優(yōu)勢：
(1) 消耗GTX更少，消耗IO更少
2 S) q) A2 {+ `% E9 o0 c) }如果使用GTX總線，僅需1對GTX，而HDMI則需要3對GTX。CameraLink接口由于走LVDS信號，Base模式下需要11對LVDS信號，F(xiàn)ull模式下需要22對LVDS信號，消耗IO數(shù)量比GTX SDI多了很多。
(2) 傳輸更穩(wěn)定
相較于HDMI接口，SDI接口的自鎖扣設計更加穩(wěn)定可靠，不易脫落，不會因人為因素造成信號中斷。
) f( {; c- U& B  t; R3 r. |+ _(3) 傳輸距離更長
串行接口是指逐位數(shù)據(jù)的順序傳輸。它的特點是通訊線簡單。只要一對傳輸線可以實現(xiàn)雙向通信，特別適合于長距離通信。從理論上講，SDI的傳輸距離可以達到100m。
(4) 成本更低
SDI接口平均每米價格約為4元，相較于HDMI接口的平均每米價格約為10元，SDI接口成本更低。

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' w1 \; k# K' M6 F7 b2 |0 V創(chuàng)龍科技(Tronlong)的Kintex-7、Zynq-7045/7100等FPGA板卡通過FMC視頻模塊已實現(xiàn)兩種SDI視頻輸入/視頻輸出方案：GTX +外接芯片。本文將為您分享基于Kintex-7 FPGA評估板、TL2971A/2972F視頻模塊的3G-SDI視頻輸入/輸出開發(fā)案例，使用外接芯片方式。TL2971A/2972F視頻模塊模塊亦可支持GTX方式。

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; u8 y8 X3 U2 \+ z) _●硬件平臺

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1 TLK7-EVM評估板

7 i  I9 Z# N8 T" J本文基于創(chuàng)龍科技TLK7-EVM評估板、TL2971A/2972F視頻模塊進行演示。
7 H  O9 V1 D. R+ U; U1 P) FTLK7-EVM是一款基于Xilinx Kintex-7系列FPGA設計的高端評估板，由核心板和評估底板組成。核心板經(jīng)過專業(yè)的PCB layout和高低溫測試驗證，穩(wěn)定可靠，可滿足各種工業(yè)應用環(huán)境。
評估板接口資源豐富，引出FMC、SFP+、PCIe、SATA、HDMI等接口，方便用戶快速進行產(chǎn)品方案評估與技術預研。
可申請TLK7-EVM評估板進行快速評估，點tronlong.com/Product/show/93.html，免費哦！
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+ A) S3 h3 n# u TLK7-EVM評估板
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2 TL2971A/2972F視頻模塊
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TL2971A/2972F是一款基于FMC LPC標準設計的3G-SDI視頻輸入/輸出模塊，與創(chuàng)龍科技Zynq-7000/Kintex-7/Artix-7等評估板配套使用。以下為此模塊特點：
（1）通過GTX高速串行總線引出1路SDI視頻輸入接口，最高支持2.97Gb/s(1080P60)。
! e9 y4 Q' K. m3 Q* N# S0 Q) f（2）通過GTX高速串行總線引出1路SDI視頻輸出接口，最高支持2.97Gb/s(1080P60)。
. u! @5 d' n; a+ H' R' o, B（3）通過GS2971A芯片引出1路SDI視頻輸入接口，最高支持2.97Gb/s(1080P60)。
3 E6 d. M% Q6 b（4）通過GS2972芯片引出1路SDI視頻輸出接口，最高支持2.97Gb/s(1080P60)。
  D2 C; o4 \$ D1 W; v# h9 G（5）采用標準BNC連接器，支持視頻設備熱插拔。
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TL2971A/2972F視頻模塊

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% D) U1 _9 z. j6 a) I, L6 m●案例功能



  A. k6 P. Z' N$ l' C  c8 E! h) B本案例為通過GS2971A、GS2972芯片引出SDI視頻輸入、輸出案例。通過GTX高速串行總線引出的SDI視頻輸入、輸出案例即將發(fā)布，敬請期待。
案例功能：評估板通過FMC視頻模塊TL2971A/2972F的SDI IN接口進行1080P60視頻采集，并通過TL2971A/2972F模塊的SDI OUT接口將采集到的視頻進行輸出。案例源碼、產(chǎn)品資料（用戶手冊、核心板硬件資料、產(chǎn)品規(guī)格書）可點：site.tronlong.com/pfdownload獲取。

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開發(fā)案例主要包括：
2 w" S" c; s6 y* ?" D. N, E1 hl CameraLink、SDI、HDMI、PAL視頻輸入/輸出案例
l 高速AD(AD9613)采集+高速DA(AD9706)輸出案例
l AD9361軟件無線電案例
l UDP(10G)光口通信案例
l UDP(1G)光口通信案例
1 {* l# c) x8 v8 Sl Aurora光口通信案例
3 ?$ P- F& u- Gl PCIe通信案例
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●案例演示
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, O1 b* k, \: ^/ U3 l0 h( Y將創(chuàng)龍科技的TL2971A/2972F模塊連接至評估板FMC1接口，評估板J1跳線帽選擇3.3V檔位，以配置FMC IO的BANK電壓為3.3V。
. D1 s3 r& w6 T, W# E; h, z準備一臺擁有HDMI OUT接口的PC機（例如筆記本），通過HDMI數(shù)據(jù)線將PC機HDMI OUT接口連接至HDMI轉SDI模塊（廠家：玩視，型號：3G HDMI TO SDI Audio）INPUT接口，PC機HDMI OUT接口用作圖像輸出。通過SDI數(shù)據(jù)線將TL2971A/2972F模塊的SDI IN接口連接至HDMI轉SDI模塊的OUTPUT接口。


) k1 z: D* ^, S! r4 I. q9 e" ~" `通過SDI數(shù)據(jù)線將TL2971A/2972F模塊的SDI OUT接口連接至SDI轉HDMI模塊（廠家：玩視，型號：3G SDI TO HDMI Audio）的INPUT接口，再通過HDMI數(shù)據(jù)線將一臺HDMI顯示屏連接至SDI轉HDMI模塊的OUTPUT接口，HDMI顯示屏用作圖像顯示。



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# _9 s" h5 o0 q- M' f* c' S運行程序，即可看到串口調試終端打印如下信息，然后在PC機的顯卡設置（或圖形屬性）中，按照下圖設置HDMI分辨率為1920x1080、刷新率為60pHz。
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2 w& q5 `0 v! I* s9 g* u此時，HDMI顯示屏將顯示PC機HDMI OUT接口輸出的圖像。
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●關鍵代碼(MicroBlaze)
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MicroBlaze裸機源碼為"sw\baremetal_demo\project\sdi_capture_display\src\"，關鍵代碼說明如下。

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(1) 初始化VDMA，將采集到的視頻數(shù)據(jù)緩存至DDR，并將視頻數(shù)據(jù)搬運至AXI4-Stream to Video Out IP核，再進行SDI視頻輸出。
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: ?* l2 T" l1 e! d; I. h● IP核配置

2 N8 \7 s  ?* }1 VDMA IP核

本案例使用VDMA IP核進行視頻數(shù)據(jù)緩存。
8 f8 m' B; Z# l" E+ }6 ~VDMA(AXI Video Direct Memory Access) IP核開發(fā)文檔為產(chǎn)品資料“6-開發(fā)參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的pg020_axi_vdma.pdf，具體配置說明如下。
（1） Frame Buffer配置為3個。
1 ]+ p+ d, b) S' ?( X9 b" B（2） Write Burst Size、Read Burst Size均配置為16。
（3） 讀通道的Stream Date Width配置為24。
（4） 讀/寫通道的Line Buffer Depth均配置為1024。
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（5） 點擊Advanced，保持默認配置，即可避免VDMA同時讀寫同一個Buffer，造成視頻數(shù)據(jù)傳輸亂碼。
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2 Video In to AXI4-Stream IP核
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& W9 I) d" e0 w本案例使用Video In to AXI4-Stream IP核將并行視頻信號轉換為AXI4-Stream視頻流。


Video In to AXI4-Stream IP核開發(fā)文檔為產(chǎn)品資料“6-開發(fā)參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的《pg043_v_vid_in_axi4s.pdf》，具體配置說明如下。


（1） 視頻格式配置為YUV 4:2:2。
（2） 數(shù)據(jù)位寬配置為10bit。
（3） Clock Mode配置為Independent（獨立時鐘）。
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本案例使用AXI4-Stream to Video Out IP核將AXI4-Stream視頻流轉化為并行視頻信號。
AXI4-Stream to Video Out IP核開發(fā)文檔為產(chǎn)品資料“6-開發(fā)參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的《pg044_v_axis_vid_out.pdf》，具體配置說明如下。
( K- y# @  a% g, q! S; T2 N（1） 視頻格式配置為YUV 4:2:2。
（2） 數(shù)據(jù)位寬配置為10bit。
+ B! V5 O3 `% r( m6 v（3） Clock Mode配置為Independent（獨立時鐘）。
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& z8 |8 _; U& C: i; d4 VTC IP核

本案例使用VTC IP核產(chǎn)生用于視頻輸出的時序。
VTC(Video Timing Controller) IP核開發(fā)文檔為產(chǎn)品資料“6-開發(fā)參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的《pg016_v_tc.pdf》，具體配置說明如下。
7 O) v) p" k7 ^" y5 P1 U& h8 e（1） 點擊Detection/Generation，確保不勾選"Include AXI4-Lite Interface"及"Enable Detection"。
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（2） 點擊Default/Constant，Video Mode設為1080p，其余配置保持默認。
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5 Clocking Wizard IP核

本案例使用Clocking Wizard IP核產(chǎn)生用于視頻輸出的像素時鐘（148.5MHz，對應1080P60）。
Clocking Wizard IP核開發(fā)文檔為產(chǎn)品資料“6-開發(fā)參考資料\Xilinx官方參考文檔\”目錄下的《pg065-clk-wiz.pdf》，具體配置如下。
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●Vivado工程說明

$ w2 ]  F! F+ c# l0 H! l7 d點擊BLOCK DESIGN開發(fā)界面下的"Address Editor"選項，可查看IP核分配的地址，MicroBlaze可通過對應地址對IP核進行控制。
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& |0 }/ q. y' xVivado工程頂層文件為"hw\project\sdi_capture_display.srcs\sources_1\imports\hdl\sdi_capture_display.v"，關鍵代碼說明如下。


（1） 定義模塊接口。
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4 q& j3 E6 k7 o+ j* h. A. C（2） 使用STARTUPE2原語輸出復位信號。
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0 v" y$ a. x" e! ?* h: n（3） 調用Block Design。
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