基于ADV7183B的視頻解碼系統(tǒng)的設計
當前，數(shù)字影像設備種類繁多，視音頻處理硬件與軟件技術高度發(fā)達[2]，為數(shù)字視頻的流行起到了推波助瀾的作用。在很長的一段時間內(nèi)，圖像處理將成為信息技術的前沿領域和熱門課題。圖像處理技術的應用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益，其原因主要在于計算機技術以及大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展與成熟，使得利用嵌入式系統(tǒng)作為視頻圖像的輸入輸出處理正逐漸成為主流，硬件解決方案也從專用處理芯片、DSP發(fā)展至FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性、小型化。
1 系統(tǒng)設計
利用單片機MSP430F169與解碼芯片ADV7183B的配置，使得整個視頻解碼系統(tǒng)可以靈活地根據(jù)輸入視頻源進行相應的配置以輸出不同的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。MSP430F169的最高運算速度達到8 MIPS，具有易操作、低功耗等特點[3-4]，特別是其可通過I2C接口與解碼器進行數(shù)據(jù)傳輸，以實現(xiàn)對不同格式視頻輸入源的解碼。而ADV7183B是一款綜合的視頻解碼芯片[5-6]，它能夠自動將一種兼容國際標準NTSC或PAL的模擬視頻基帶信號轉(zhuǎn)換成另一種兼容8 bit/16 bit CCIR656的YCrCb型4:2:2的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，其靈活的數(shù)字式輸出接口能夠在基于緩存器結(jié)構(gòu)和行鎖時鐘的系統(tǒng)中完成視頻解碼和轉(zhuǎn)換功能。視頻解碼系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。MSP430F169是主控芯片，針對不同的模擬視頻源，利用C語言編程，對解碼芯片ADV7183B的寄存器進行相應的配置，產(chǎn)生符合要求的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)及行、場信號，以便于視頻后處理系統(tǒng)進行濾波、顯示。
數(shù)字視頻數(shù)據(jù)是把模擬視頻信號解碼為Y、U、V分量后，將其分別進行A/D量化采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻流，時間上也按上面的順序依次輸出。這里，采用的是成立于1927年的國際無線電咨詢委員會CCIR656(Consultative Committee of International Radio)標準[7-8]，也稱為ITU-R BT.656。該標準規(guī)定：Y、U、V 3個分量的抽樣頻率分別為13.5 MHz、6.75 MHz、6.75 MHz。采用線性量化，每個樣點的量化比特用于演播室為10 bit，用于傳輸則為8 bit。Y、U、V 3個分量樣點之間比例為4:2:2，數(shù)據(jù)格式如圖2所示。
圖2中，T為采樣時鐘37 ns(27 MHz)；SAV為有效視頻開始的定時基準標志碼；EAV為有效視頻結(jié)束的定時基準標志碼；每個基準信號由4個周期的數(shù)據(jù)組成，格式為FF，00，00，XY，以16進制表示，前3個為固定的前綴，第4個字用來定義奇偶場、場消隱和行消隱信息。在消隱期間，傳輸80 H，10 H，80 H，10 H；在有效期間，按Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y順序傳送。
2 ADV7183B的設置
根據(jù)實際需要，這里采用了Analog Device公司的ADV7183B芯片作為系統(tǒng)的解碼芯片。它是一款綜合的視頻解碼芯片，能夠處理NTSC或PAL制式下的CVBS、S-Video、YPrPb 3種格式的輸入視頻源，從而廣泛地應用于放映機、數(shù)字電視、DVD、游戲機等電子產(chǎn)品。ADV7183B的主要特點[9]如下：
(1)內(nèi)部帶有行鎖定系統(tǒng)時鐘（LLC）和自適應數(shù)字線長跟蹤（ADLLT）電路，可以提供雙重視頻鎖定功能；
(2)具有實時時鐘、信息輸出功能以及3行色度梳狀濾波器；
(3)具有完整的AGC和箝位控制功能，可對色度、亮度、飽和度和對比度進行編程視頻調(diào)節(jié)；
(4)可自動進行NTSC或PAL檢測，且有12個模擬視頻輸入信道；
(5)可設置為二線連續(xù)雙向端口模式，并與I2C兼容；
(6)支持不同模式的視頻輸入和16 bit寬度總線數(shù)字輸出；
(7)輸入峰峰值為0.5 V～2 V。
通過不同的配置，ADV7183B的6個模擬視頻輸入信道可支持6個CVBS輸入信號、3個S-video輸入信號和2個YPrPb構(gòu)成的模擬視頻輸入信號，可由寄存器INSEL控制輸入源的類型和信道。此外，ADV7183B支持3種輸出接口模式：兼容LLC的同步像素接口、CAPI接口和SCAPI接口，默認模式為兼容LLC的8 bit CCIR656數(shù)據(jù)。
在電路設計時，ADV7183B的工作晶振為27 MHz，ALSB為地址片選端口，由于軟件程序的設計需要，將其接地，置為低電平。CVBS接入AIN5腳，S-Video接入AIN1和AIN4腳，YPrPb則接入AIN2、AIN3和AIN6腳；P0~P15為數(shù)據(jù)輸出端；LLC1、LLC2為時鐘輸出端口，當為8 bit數(shù)據(jù)輸出時，LLC1為27 MHz，LLC2為13.5 MHz。而當為16 bit數(shù)據(jù)輸出時，LLC1和LLC2均為13.5 MHz；HS為行同步信號輸出，VS為場同步信號輸出，F(xiàn)IELD為奇偶場信號輸出。當系統(tǒng)通電后，板上的2個LED燈會交替閃爍10次，提示用戶可通過按鍵進行輸入源信道的選擇操作：SW1鍵選擇S-Video視頻源輸入，SW2鍵選擇YPrPb視頻源輸入，若不操作則默認CVBS視頻源輸入。
由于MSP430F169和ADV7183B均有自帶的I2C模塊，利用I2C總線協(xié)議，系統(tǒng)通過中斷程序進行解碼芯片的各種寄存器配置，從而產(chǎn)生YCrCb型4:2:2的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，軟件流程圖如圖3所示。
首先，初始化時鐘和傳輸模式，使MSP430F169工作在所需的模式下；其次，初始化I2C功能，使其準備將從機地址發(fā)送到I2C總線上，等待總線上的從機應答，若無應答則重復發(fā)送，若有應答則通信初始化并開中斷，發(fā)送所需配置的寄存器地址和數(shù)據(jù)[10-11]。需要注意的是，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都要初始化主機模式和傳輸模式的設置，因為每次發(fā)送完數(shù)據(jù)后，這兩個標志位都會被自動清零。
為了使ADV7183B正常工作，幾個主要寄存器的配置內(nèi)容如下：
(1)輸入選擇寄存器INSEL，地址為0x00。根據(jù)外部接口情況，用戶可通過設置這個寄存器選擇模擬視頻源的輸入通道和輸入模式，即選擇通過CVBS、S-Video或YPrPb輸入。在該系統(tǒng)中，CVBS信號由AIN5輸入，則寄存器內(nèi)容設置為0x04；S-Video信號的Y接入AIN1，C接入AIN4，則寄存器內(nèi)容設置為0x06；YPrPb信號的Y接入AIN2，Pb接入AIN3，Pr接入AIN6，則寄存器內(nèi)容設置為0x0A。同時，未連接的其他輸入通道管腳必須接地。
(2)輸出模式選擇寄存器OF_SEL，地址0x03。通過設置此寄存器，用戶可控制輸出數(shù)據(jù)為8 bit或16 bit。不過，此寄存器必須和像素時鐘寄存器（LLC_PAD_SEL，地址0x8F)一起設置。當輸出16 bit數(shù)據(jù)時，像素時鐘為13.5 MHz；而當輸出8 bit數(shù)據(jù)時，像素時鐘則為27 MHz(默認設置)。所以程序中，8 bit輸出時，0x03設置為0x0C，0x8F設置為0x00；16 bit輸出時，0x03設置為0x00，0x8F設置為0x50。
(3)ADC低功耗控制寄存器，地址0x3A。這個寄存器可以選擇ADC的工作個數(shù)。在CVBS模式下，ADC1和ADC2低功耗，即不工作；在S-Video模式下，ADC2低功耗；而在YPbPr模式下，3個ADC全部工作。同時，還需要配置相應的寄存器地址是0xC3和0xC4，這2個寄存器設置了3個ADC所連接到的管腳。根據(jù)外部的模擬輸入源，CVBS模式時，ADC0連接AIN5，則0xC3設置為0x05，0xC4設置為0x80；S-Video模式時，ADC0連接AIN1，ADC1連接AIN4，則0xC3設置為0x41，0xC4設置為0x80；YPrPb模式時，ADC0連接AIN2，ADC1連接AIN3，ADC2連接AIN6，則0xC3設置為0x32，0xC4設置為0x86。
(4)行、場同步信號的相關寄存器，一般采用默認設置即可。
3 實驗結(jié)果
在系統(tǒng)調(diào)試時，采用了一個彩色數(shù)字攝像頭作為視頻輸入源，即輸入CVBS格式的模擬視頻信號，通過邏輯分析儀捕獲輸出管腳的波形，觀測相應的信號和輸出數(shù)據(jù)。通過不斷修改程序，最終實現(xiàn)視頻圖像的采集、顯示。圖4是通過MSP430F169設置ADV7183B的輸出模式選擇寄存器的波形?？梢?，時序滿足標準的I2C總線協(xié)議的傳輸時序：起始—從器件地址(0x40)—應答—從器件的寄存器地址（0x03）—應答—寫數(shù)據(jù)（0x0C）—應答—結(jié)束。圖5和圖6是解碼后的視頻數(shù)據(jù)。在圖5中，根據(jù)固定前綴FF 00 00 F1可知，F(xiàn)1（1111 0001）所包含的信息是表示行由0跳變?yōu)?，場由0跳變?yōu)?，傳輸數(shù)據(jù)進入的是行和場的消隱期。而圖6中，由固定前綴FF 00 00 80可知，80（1000 0000）所包含的信息是表示行由1跳變?yōu)?，場由1跳變?yōu)?，傳輸數(shù)據(jù)進入的是行和場的有效期。由此表明，視頻解碼系統(tǒng)輸出的視頻數(shù)據(jù)符合CCIR656標準，達到了設計要求。
綜上所述，本視頻解碼系統(tǒng)利用MSP430F169進行解碼芯片ADV7183B的設置，具有低功耗、小巧靈活等特點。同時，作為視頻輸入前端，將彩色攝像頭的模擬視頻源轉(zhuǎn)換成16 bit的YCrCb型4:2:2數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，并進行格式轉(zhuǎn)換、濾波等處理后，通過DVI接口在CRT上清晰顯示，達到了設計要求，能夠為相應的視頻后處理設備（如DSP、FPGA等）提供良好的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。
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