基于ADV7125的嵌入式系統(tǒng)VGA接口設(shè)計(jì)

摘要：主要闡述了基于ADV7125芯片的嵌入式系統(tǒng)的VGA接口設(shè)計(jì)方案。利用S3C2440處理器自帶的LCD控制器來構(gòu)造VGA時(shí)序，然后配合相應(yīng)的控制信號，通過ADV7125硬件電路把S3C2440輸出的LCD信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的VGA信號輸出。實(shí)驗(yàn)表明，該轉(zhuǎn)換接口電路簡單、可靠。
關(guān)鍵詞：S3C2440；嵌入式系統(tǒng)；ADV7125；VGA接口

引言
    目前VGA接口是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及智能儀器中重要的標(biāo)準(zhǔn)輸出接口，但是大部分硬件系統(tǒng)選擇LCD終端輸出。很多顯示設(shè)備，如常見的CRT或LCD顯示器一般都采用統(tǒng)一的15針VGA顯示接口。如需要外接這些設(shè)備，則需要把LCD輸出信號的接口轉(zhuǎn)換為VGA接口。本設(shè)計(jì)是在三星公司芯片S3C2440平臺(tái)下，利用最高頻率可以達(dá)到330 MHz的ADV7125芯片，設(shè)計(jì)了能夠把輸出的LCD信號轉(zhuǎn)換為VGA信號的轉(zhuǎn)換電路。該設(shè)計(jì)方案具有電路簡單、價(jià)格低廉、輸出圖像清晰穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 ADV7125芯片介紹
    ADV7125是一款單芯片、3通道、高速度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置3個(gè)高速、8位、帶互補(bǔ)輸出的視頻DAC、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)TTL輸入接口，以及1個(gè)高阻抗、模擬輸出電流源。它具有3個(gè)獨(dú)立的8位寬輸入端口。只需1個(gè)+5 V／+3．3V單電源和時(shí)鐘便能工作。ADV7125還具有其他視頻控制信號：復(fù)合同步信號控制端、消隱信號控制端，以及省電模式控制端。它能夠與各種高分辨率彩色圖形系統(tǒng)兼容。ADV7125功能框圖如圖1所示。

    ADV7125有3個(gè)視頻數(shù)據(jù)寄存器DATA REGISTER和一個(gè)視頻控制寄存器POWER-DOWN MODE。數(shù)據(jù)寄存器的3個(gè)輸入端分別連接紅綠藍(lán)三色的數(shù)字視頻信號，數(shù)據(jù)寄存器后面緊跟數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號；控制寄存器將數(shù)字的消隱信號、同步信號轉(zhuǎn)換合并。數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬視頻信號和控制寄存器輸出的同步、消隱控制信號共同作為ADV7125的輸出信號，此輸出信號大小受Rset端和地之間接入的外加電阻RSET大小的控制。

2 ADV7125芯片用于VGA轉(zhuǎn)換的基本原理
    ADV7125芯片用于VGA轉(zhuǎn)換的基本原理是，將S3C2440輸出的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換為模擬的VGA輸出信號，模擬的VGA輸出信號的大小受ADV71 25芯片外圍參考電壓VREF和外加電阻RSET的控制，(VREF和RSET的具體接法如圖4所示)其關(guān)系如下：
   
    式中IOG、IOR、IOB分別代表綠、紅、藍(lán)三色信號的幅度。當(dāng)不用復(fù)合同步信號時(shí)，需要把端連接低電平，這時(shí)IOG的關(guān)系式同式(2)。
    上式中的是ADV7125的一個(gè)附加信號控制端，ADV7125的另外一個(gè)附加信號控制端是(消隱信號控制端)。和都是在時(shí)鐘上升沿被鎖存，保證像素?cái)?shù)據(jù)流的同步。和的功能是：通過視頻同步信號的編碼，影響VGA視頻信號的輸出。通過在模擬輸出端口內(nèi)部加了一個(gè)加權(quán)電流，實(shí)現(xiàn)此功能。這個(gè)電流的有無，由和邏輯輸入判定。
    圖2說明了當(dāng)和兩者都為高電平時(shí)，IOR和IOB兩者與IOG的對比。

    表1詳細(xì)說明了和對模擬輸出的影響。該表是在VREF=1．235 V，RSET=530 Ω，RLOAD=37．5Ω的條件下測量的。[!--empirenews.page--]

    對應(yīng)圖2和表1可得到以下結(jié)論：
    ①當(dāng)IOR、IOG、IOB三端的DAC輸入為0x00時(shí)，代表屏幕最黑，此時(shí)對應(yīng)圖2為 LEVEL，對應(yīng)表1為第7行。從圖2左面列表可以看到，IOR、IOB端的電流、電壓分別是0mA、0V，IOG端的電流、電壓分別是7．2 mA、0．271 V。即電流相差7．2 mA。
    ②當(dāng)IOR、IOG、IOB三端的DAC輸入為0xFF時(shí)，代表屏幕最白，此時(shí)對應(yīng)圖2為WHITE LEVEI，對應(yīng)表1為第2行。從圖2左面列表可以看到，IOR、IOB端的電流、電壓分別是18．67 mA、0．7 V，IOG端的電流、電壓分別是26．0 mA、0．975 V。即電流相差7．3 mA。
    從表1，可以得到以下的結(jié)論：
    ①當(dāng)和都為高電平(為1)時(shí)，IOG端口的白電平信號的電流，要比IOR、IOB端口同樣情況下的電流高出7．3mA左右；視頻信號電流、黑電平信號的電流，要比IOR、IOB端口同樣情況下的電流高出7．2 mA左右。
    ②當(dāng)為低電平(為0)、任意時(shí)，同樣的DAC輸入條件下，IOR、IOB、IOG三端的輸出信號電流大小是完全一樣的。
    ③當(dāng)為低電平(為0)時(shí)，無論DAC輸入是多少，IOR、IOG、IOB三端的輸出信號均對應(yīng)于高／低的同步無效／有效黑電平。

3 VGA接口設(shè)計(jì)
    根據(jù)需要，把LCD信號轉(zhuǎn)換為VGA信號，轉(zhuǎn)換時(shí)必須根據(jù)VGA信號的時(shí)序進(jìn)行轉(zhuǎn)換。VGA信號一共包括5部分，分別是紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色信號和行(H)、場(V)同步信號，紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色信號和行(H)、場(V)同步信號根據(jù)S3C2440的配置時(shí)序，由S3C2440以數(shù)字信號的形式輸出，之后由ADV7125對紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，行(H)、場(V)同步信號直接進(jìn)入VGA接口中，不需要轉(zhuǎn)換。下面分別介紹VGA信號的時(shí)序、硬件連接、軟件設(shè)計(jì)以及注意事項(xiàng)。
3．1 VGA時(shí)序信號
    以分辨率為640x480、刷新頻率為60 Hz、16位的彩色顯示模式為例，VGA信號的掃描時(shí)序如圖3所示。

    在場掃描時(shí)序中，VSYNC為場同步信號，Tvsync是指顯示器掃描1幀完整畫面需要的時(shí)間，大小為16 667μs；VSYNC信號每場有525行，其中480行為有效顯示行，45行是場消隱期。場消隱期包括場同步時(shí)間(低電平場同步脈沖)twv(2行／63μs)、場消隱前肩tHV(13行／412μs)、場消隱后肩tVH(30行／952 μs)，共45行。
    在行掃描時(shí)序中，HSYNC為行同步信號，Thsync是指顯示器掃描一行需要的時(shí)間，大小為31．75μs，該周期通過Hsync(行同步脈沖)來同步，脈沖的寬度tWH=3．81μs。每顯示行包括800點(diǎn)，其中640點(diǎn)為有效顯示區(qū)，160點(diǎn)為行消隱期(是非顯示區(qū))。行消隱期包括行同步時(shí)間tWH(3．81μs)，行消隱前肩tHC(0．516μS)和行消隱后肩tCH(1．786μs)，共160個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。[!--empirenews.page--]
3．2 S3C2440和ADV7125的電路連接
    設(shè)計(jì)中主要使用S3C2440處理器的LCD控制器接口，它主要通過DMA方式占用系統(tǒng)總線，支持彩色TFT液晶屏，支持16 bbp無調(diào)色真彩。  LCD接口數(shù)據(jù)的低8位，中間8位和高8位分別與ADV7125芯片的BLUE信號、GREEN信號和RED信號相連，這樣就完成了S3C2440處理器與ADV7125芯片之間數(shù)字信號的傳輸。ADV7125芯片的時(shí)鐘信號采用LCD接口的時(shí)鐘信號，信號與VM(VSDN)信號相連接，同步信號接地。COMP端用于內(nèi)部參考運(yùn)放的補(bǔ)償，用0．1μF的陶瓷電容連接在COMP與模擬電源VAA之間，防止自激振蕩以增加穩(wěn)定性。采用AD1580作為參考電壓，AD1580輸出信號穩(wěn)定，能夠很好地滿足電路設(shè)計(jì)的需要。RSET引腳與地之間接一個(gè)530 Ω的電阻，用來控制視頻信號的滿幅度。在圖像系統(tǒng)中，不會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生復(fù)合同步信號，利用本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)視頻同步信息編碼直接進(jìn)入綠色信道。如果不需要，把輸入端與邏輯低電平相連。S3C2440和ADV7125的電路連接如圖4所示。其中VD0、VD1、…VD23、VDEN、CLK、HSYNC、VSYNC為S3C2440的輸出端。

3．3 電路連接需要注意的問題
    ADV7125可以用于灰度視頻信號輸出。例如：僅用于1個(gè)通道進(jìn)行視頻輸出，這時(shí)其他兩個(gè)不用的視頻數(shù)據(jù)信道都應(yīng)該與邏輯0相連，不用的模擬輸出應(yīng)該與使用的信道一樣連接相同的負(fù)載。
    為了實(shí)現(xiàn)ADV7125的最優(yōu)噪聲性能，對PCB的設(shè)計(jì)必須特別注意。ADV7125電源和地線上的噪聲應(yīng)該優(yōu)化?？梢酝ㄟ^屏蔽數(shù)字輸入和提供好的退耦達(dá)到這一點(diǎn)。VAA和GND的引線長度應(yīng)該盡量短，這樣可以減小電感環(huán)路。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)盡量把模擬地與數(shù)字地分開，地線應(yīng)該通過1個(gè)磁珠與PCB大面積鋪地相連，并且磁珠應(yīng)該盡可能的靠近ADV7125器件的地引腳。電路中使用的電容應(yīng)該盡可能的靠近對應(yīng)引腳，并且電容的引線應(yīng)該盡可能的短，這樣可以減小引線電容。由于使用頻率非常高，時(shí)鐘引線應(yīng)盡可能地短，這樣可以減小噪聲的抖動(dòng)。視頻輸出信號應(yīng)該由數(shù)字地平面覆蓋，這樣可以增大高頻電源抑制比。
    由于模擬RGB信號采用高阻電流源輸出方式，可以直接驅(qū)動(dòng)75 Ω的同軸傳輸線。長于10 m的電纜可能會(huì)對高頻模擬輸出脈沖衰減。使用輸出緩沖可以補(bǔ)償電纜的失真。這些緩沖器在整個(gè)輸出電壓擺幅期間，必須有足夠的電流。常見的有AD84x系列的單片運(yùn)放。在較高的頻率下(如80 MHz)，推薦使用AD848。其典型增益電路如圖5所示。

    通過簡單的計(jì)算可以得知其增益為：GAIN=1+Z1／Z2。改變緩沖電路的增益器件Z1、Z2來滿足所要求的視頻電平。
3．4 相關(guān)的軟件設(shè)置
    下面以簡單的測試程序?yàn)槔齺碚f明相關(guān)軟件的編寫。
    軟件設(shè)計(jì)的基本流程如圖6所示。具體過程如下：

    ①首先對LCD的功能寄存器進(jìn)行初始化，主要設(shè)置LCD控制寄存器1～5，LCD緩沖區(qū)起始地址控制寄存器；屏蔽LCD中斷。
    ②其次對LCD的輸出時(shí)序(VGA信號時(shí)序)進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置分辨率、周期、前(后)信號、同步脈沖。
    ③再次是對視頻信號進(jìn)行設(shè)置，主要是使能LCD視頻信號的輸出。
    ④用一幅圖像的輸出來測試VGA的顯示是否正常。[!--empirenews.page--]
    主要代碼如下所示：




結(jié)語
    本文結(jié)合S3C2440處理器和ADV7125芯片的特點(diǎn)，介紹了LCD轉(zhuǎn)VGA方案，該方案簡單易行，適用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的VGA信號輸出。ADV-7125芯片有多種頻率可供選擇。本設(shè)計(jì)也可以用于灰度級輸出的信號中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡單的修改，可以滿足高分辨率，高刷新頻率的環(huán)境要求。