機(jī)載電視制導(dǎo)VGA/TV轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
關(guān)鍵詞：AIT2138；視頻轉(zhuǎn)換器；電磁兼容；逐行掃描；隔行掃描
1 引言
隨著多媒體視頻技術(shù)的發(fā)展，教育、商務(wù)演示、游戲娛樂(lè)、視頻監(jiān)控、機(jī)載視頻顯示等領(lǐng)域均要求將PC輸出的VGA視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合普通電視的標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)。目前，VGA視頻絕大多數(shù)采用逐行掃描技術(shù)，而模擬電視信號(hào)則采用隔行掃描技術(shù)．且各自的行頻和場(chǎng)頻不相同，因此，設(shè)計(jì)專門的VGA／TV視頻轉(zhuǎn)換器顯得非常必要和迫切。VGA／TV視頻轉(zhuǎn)換器的基本原理是通過(guò)幀存儲(chǔ)器用一種制式的時(shí)序?qū)憥妫昧硪环N制式的時(shí)序讀幀存，并用增減行場(chǎng)的方法調(diào)整掃描頻率，直至形成標(biāo)準(zhǔn)的電視信號(hào)格式。
我國(guó)許多飛機(jī)使用類似彩色電視的PAL制顯示器。在顯示圖形分辨率要求不苛刻的情況下，完全可以利用這些現(xiàn)有設(shè)備作為機(jī)載計(jì)算機(jī)的顯示終端。但一般計(jì)算機(jī)的顯示接口并不直接支持隊(duì)PAL制式．需要在VGA接口和PAL制式之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)顯示控制器VGA信號(hào)到模擬TV視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，兼容多功能顯示器的模擬視頻的顯示方式．筆者設(shè)計(jì)了一種基于AIT2138的VGMTV視頻轉(zhuǎn)換器。該視頻轉(zhuǎn)換器將通用VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換為廣播質(zhì)量級(jí)的PAL制視頻信號(hào)，當(dāng)然AIT2138的輸出也支持NTSC和S-Video視頻格式，但在本文不考慮這二種輸出格式。
本文介紹AIT2138的功能，給出VGA／TV視頻轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)工作原理和設(shè)計(jì)思路；介紹系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)．用單片機(jī)靈活實(shí)現(xiàn)用12C總線對(duì)視頻轉(zhuǎn)換核心電AIT2138的編程控制，對(duì)輸入各種視頻信號(hào)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)處理方法進(jìn)行了研究。
2 AIT2138及硬件系統(tǒng)的工作原理
2．1 AIT2138的主要功能
AIT2138型視頻轉(zhuǎn)換器處理標(biāo)準(zhǔn)VGA的模擬R、G、B信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成NrPSC或PAL制式的視頻信號(hào)。掃描頻率的轉(zhuǎn)換借助外部幀存儲(chǔ)器完成。AIT2138可將640x480(85 Hz)、800x600(75 Hzl、1024x768(60 Hz)、16．7 MHz的真彩色圖像轉(zhuǎn)換成NTPSC或PAL制式的視頻信號(hào)。所有視頻信號(hào)均以數(shù)字方式處理。由于在。D／A轉(zhuǎn)換端采用超采樣電路技術(shù)，從而使模擬輸出濾波器非常簡(jiǎn)單。電路的3個(gè)輸出引腳能同時(shí)組合輸出復(fù)合視頻和S—Video(亮度與色度分離)、RGB或YCbCr信號(hào)。AIT2138支持VESA DPMS節(jié)能方式，可以有效降低系統(tǒng)的功耗．
Arl2138的內(nèi)部功能框圖如圖1所示．
其特點(diǎn)如下：
(1)同屏顯示于PC/TV，即插即用，I2C控制，無(wú)需驅(qū)動(dòng)程序：
(2)支持256 Kxl6 bit的EDO存儲(chǔ)或1 Mxl6 bit的SDRAM：
(3)FIic—FreeTM抗閃爍濾波技術(shù)，支持圖像畫(huà)面凍結(jié)、放大和移動(dòng)。
2．2 視頻轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)
筆者設(shè)計(jì)的VGA/TV視頻轉(zhuǎn)換卡主要由電源電路、視頻轉(zhuǎn)換電路和視頻轉(zhuǎn)換控制電路組成．其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。
機(jī)載電源為27V，為確保系統(tǒng)的兼容性，采用Vieor專用電源模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)載電源到5V純凈系統(tǒng)電源的轉(zhuǎn)換，為系統(tǒng)正常工作提供可靠的環(huán)境。
機(jī)載顯控器輸出的VGA信號(hào)輸入到系統(tǒng)前端，經(jīng)過(guò)處理(整形等)輸入AIT2138內(nèi)。AIT2138根據(jù)輸入VGA信號(hào)的刷新頻率。對(duì)一幀VGA逐行掃描視頻信號(hào)進(jìn)行A／D采樣，經(jīng)過(guò)緩沖、箝位．緩存在外部的SDRAM中，經(jīng)過(guò)奇偶場(chǎng)重組和場(chǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)插值處理，然后經(jīng)過(guò)D／A處理，在輸出端轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號(hào)。
系統(tǒng)的控制模塊由AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)．采用通用I／O模擬FC總線，完成AIT2138上電初始化和內(nèi)部寄存器設(shè)定。
2．3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中需要特別注意的事項(xiàng)
2．3．1 視頻前端處理
VGA信號(hào)輸入可通過(guò)Arl"2138的3個(gè)8 bitA/D轉(zhuǎn)換器來(lái)對(duì)R、G、B信號(hào)的每一個(gè)通道按照48MHz的采樣率進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換。HSYNC和VSYNC由施密特觸發(fā)器緩沖。A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換參考電壓可以自己設(shè)定。設(shè)計(jì)的RGB信號(hào)電平范圍是OV~O．85 V，給定的外部參考電壓為VK，該電壓不能低于RGB信號(hào)電平的最大值。數(shù)字視頻處理是利用YUV色彩分量來(lái)進(jìn)行的，因此利用AIT2138中的RGB—YUV矩陣將輸入的RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為4：2：2格式的YUV分量信號(hào)。其中，YUV每個(gè)分量輸出長(zhǎng)度為8 bit，總的輸出信號(hào)在數(shù)據(jù)總線上以24 bit工作。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：AIT2138內(nèi)部的5線抗閃爍有限脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器可有效降低輸出PAL制式電視信號(hào)的閃爍。
2．3．2 設(shè)定工作模式
AIT2138有主、從二種模式。本設(shè)計(jì)中選用了主模式，在這種模式下，該電路可產(chǎn)生所有的時(shí)鐘和同步信號(hào)，并且能給外部的存儲(chǔ)設(shè)備提供水平同步和垂直同步以及內(nèi)部像素時(shí)鐘。電路外部的多路同步輸入、FIFO和存儲(chǔ)器都將嚴(yán)格遵循AIT2138提供的同步信號(hào)和時(shí)鐘。
2．3．3 數(shù)字視頻編碼
AIT2138的核心是處理器部分。主要用于從外部存儲(chǔ)設(shè)備中讀入4：2：2格式的YUV數(shù)字視頻數(shù)據(jù)．然后進(jìn)行編碼處理。由于輸入的信號(hào)分亮度和色度兩種信號(hào)分量，色度信號(hào)通過(guò)復(fù)合數(shù)字副載波調(diào)制．所以可將亮度和色度信號(hào)分別插值為像素速率的2倍．并通過(guò)2個(gè)10 bit D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬合成視頻信號(hào)，再通過(guò)第三個(gè)通道的10 bit轉(zhuǎn)換器輸出，必須注意調(diào)整AIT2138格式控制腳，選擇不同的時(shí)鐘參數(shù)．將視頻轉(zhuǎn)換器的輸出設(shè)置為機(jī)載多功能顯示器兼容的PAL制式標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)輸出。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)
I2C總線是一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線．它具備多主機(jī)系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速設(shè)備同步功能的高性能串行總線。I2C總線上的器件之間通過(guò)串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCL相連接．傳送信息。
本系統(tǒng)中用AT89C51的P4口的I／0引腳1和2分別模擬12C總線的SCL和SDA引腳。AT89C51作為主控器在總線上發(fā)送命令．AIT2138作為接收器接收總線上的命令。作為總線裁決的重要信息．發(fā)送命令中必須包括AIT2138的地址信息，其地址為88H。AIT2138的F2C讀流程如圖3所示。
AIT2138的寫流程相對(duì)簡(jiǎn)單．不需要在寫入器件地址后進(jìn)行讀寫轉(zhuǎn)換．也就是上面時(shí)序中強(qiáng)制加入的第二個(gè)Start Condition(啟動(dòng)條件)。需要注意的是在I2C總線上每傳輸一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)。這里的時(shí)鐘脈沖不像一般的時(shí)鐘必須是周期性的，它的時(shí)鐘間隔可以不同。總線備用時(shí)(即“非忙”狀態(tài))，SDA和SCL必須保持高電平，關(guān)閉I2C總線時(shí)才使SCL箝位在低電平。只有當(dāng)總線處于“非忙”狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸才能被初始化。在數(shù)據(jù)傳輸期間．只要時(shí)鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定．只有在時(shí)鐘線為低電平時(shí)才允許數(shù)據(jù)線上的電平改變。在時(shí)鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線上的下降沿為啟動(dòng)信號(hào)，上升沿為停止信號(hào)，啟動(dòng)和停止信號(hào)都由主機(jī)產(chǎn)生。AIT2138容易監(jiān)測(cè)這些信號(hào)。
3．2 系統(tǒng)軟件流程
軟件設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，在系統(tǒng)第一版設(shè)計(jì)中．采用了AIT2138自動(dòng)檢測(cè)輸入端的VGA視頻信號(hào)對(duì)行、場(chǎng)同步頻率進(jìn)行設(shè)定，同步內(nèi)部視頻A／D轉(zhuǎn)換和外部視頻緩存內(nèi)部的分場(chǎng)、視頻轉(zhuǎn)換過(guò)程。在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)載多功能顯示器上圖像抖動(dòng)．而且顯示圖像位置相對(duì)多功能顯示器的視場(chǎng)有一定偏移，嚴(yán)重影響了視頻效果。
研究發(fā)現(xiàn)．問(wèn)題出在AIT2138的自適應(yīng)調(diào)整功能上．其內(nèi)部對(duì)VGA信號(hào)的行、場(chǎng)同步信號(hào)規(guī)定了幾個(gè)擋位．以場(chǎng)同步為例，分為63 Hz一69 Hz，69 Hz一73Hz．73 Hz一79Hz，79Hz～85Hz4個(gè)擋位，由于其內(nèi)部自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能不完善．因此容易把刷新頻率為75 Hz的視頻信號(hào)歸到69 Hz~73 Hz的擋位中，容易造成后端模擬視頻輸出抖動(dòng)。后端視頻視場(chǎng)的偏移與AIT2138內(nèi)部的．HPR和VPR有關(guān)。所以筆者提出如下優(yōu)化控制方案。軟件的流程如圖4所示。
AT89C2051首先對(duì)轉(zhuǎn)換器輸入端口進(jìn)行有無(wú)行同步信號(hào)的檢測(cè)。若有，則繼續(xù)檢測(cè)有無(wú)場(chǎng)同步信號(hào)．若無(wú)則判斷為5線制視頻信號(hào)，輸入5線制視頻信號(hào)時(shí)。信號(hào)的行、場(chǎng)同步信號(hào)直接接人AIT2138。然后通過(guò)設(shè)定AT89C2051內(nèi)的2個(gè)16位定時(shí)器取值來(lái)設(shè)置行、場(chǎng)頻率計(jì)數(shù)的時(shí)間閾值。在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)接人AT89C2051的2個(gè)I／O引腳的行、場(chǎng)同步信號(hào)線上出現(xiàn)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)．通過(guò)計(jì)算脈沖個(gè)數(shù)與時(shí)間間隔的比值可得到確切的行、場(chǎng)頻率。在得到行、場(chǎng)頻率后，對(duì)AIT12138轉(zhuǎn)換過(guò)程中要處理的5線制視頻信號(hào)的具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，包括逐行視頻圖像的截取位置、面積和隔行電視圖像顯示的位置等．然后通過(guò)FC接口對(duì)AT12138進(jìn)行編程控制。
4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)過(guò)程中．考慮到設(shè)備對(duì)外部的適應(yīng)性，主要采取了以下措施：機(jī)殼采用金屬鋁件，機(jī)殼的金屬部分良好接地，具有防護(hù)電磁干擾的作用；為了保證各個(gè)組件地線的接線端之間能長(zhǎng)期、可靠地連接．采用了鍍錫的銅接線片，同時(shí)，將接線片用螺釘固定在機(jī)座上，保證長(zhǎng)期接地良好，并對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行防潮處理：按鍵面板通過(guò)銅質(zhì)導(dǎo)線與機(jī)殼接觸良好．防止外界電磁波干擾設(shè)備的正常工作；在電源輸出端并接高、低頻濾波電容器，防止電源高、低頻噪聲對(duì)元器件的影響。在PCB設(shè)計(jì)中需要注意：數(shù)字地與模擬地分離，應(yīng)用EMI濾波裝置以減少VDDA的電源噪聲；LPF到AITl2138的整體電路引腳長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)小于0．5英寸；VDDA和VSSA端應(yīng)接O．1μF的旁路電容器以減少噪音。
5 結(jié)束語(yǔ)
這種VGA／TV轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是對(duì)采用逐行掃描方式微機(jī)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換．并且可以得到廣播電視級(jí)的PAL制式電視視頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)在某型戰(zhàn)機(jī)上試飛，獲得效果很好的PAL制式標(biāo)準(zhǔn)電視視頻信號(hào)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
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