机载电视制导VGATV转换器的设计与实现
2010-12-21 11:13:07
来源：大比特资讯
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1 引言
随着多媒体视频技术的发展，教育、商务演示、游戏娱乐、视频监控、机载视频显示等领域均要求将PC输出的VGA视频信号转化成适合普通电视的标准电视信号。目前，VGA视频绝大多数采用逐行扫描技术，而模拟电视信号则采用隔行扫描技术．且各自的行频和场频不相同，因此，设计专门的VGA／TV视频转换器显得非常必要和迫切。VGA／TV视频转换器的基本原理是通过帧存储器用一种制式的时序写帧存．而用另一种制式的时序读帧存，并用增减行场的方法调整扫描频率，直至形成标准的电视信号格式。 我国许多飞机使用类似彩色电视的PAL制显示器。在显示图形分辨率要求不苛刻的情况下，完全可以利用这些现有设备作为机载计算机的显示终端。但一般计算机的显示接口并不直接支持PAL制式．需要在VGA接口和PAL制式之间进行适当的转换。为实现显示控制器VGA信号到模拟TV视频信号的转换，兼容多功能显示器的模拟视频的显示方式．笔者设计了一种基于AIT2138的VGMTV视频转换器。该视频转换器将通用VGA信号转换为广播质量级的PAL制视频信号，当然AIT2138的输出也支持NTSC和S-Video视频格式，但在本文不考虑这二种输出格式。
本文介绍AIT2138的功能，给出VGA／TV视频转换器硬件系统工作原理和设计思路；介绍系统软件设计．用单片机灵活实现用12C总线对视频转换核心电路AIT2138的编程控制，对输入各种视频信号的自动监测、自动处理方法进行了研究。
2 AIT2138及硬件系统的工作原理
2.1 AIT2138的主要功能
AIT2138型视频转换器处理标准VGA的模拟R、G、B信号，并将其转换成NrPSC或PAL制式的视频信号。扫描频率的转换借助外部帧存储器完成。AIT2138可将640x480(85 Hz)、800x600(75 Hzl、1024x768(60 Hz)、16．7 MHz的真彩色图像转换成NTPSC或PAL制式的视频信号。所有视频信号均以数字方式处理。由于在D／A转换端采用超采样电路技术，从而使模拟输出滤波器非常简单。电路的3个输出引脚能同时组合输出复合视频和S—Video(亮度与色度分离)、RGB或YCbCr信号。AIT2138支持VESA DPMS节能方式，可以有效降低系统的功耗。
Arl2138的内部功能框图如图1所示。
其特点如下：
(1)同屏显示于PC/TV，即插即用，I2C控制，无需驱动程序：
(2)支持256 Kxl6 bit的EDO存储或1 Mxl6 bit的SDRAM：
(3)FIic—FreeTM抗闪烁滤波技术，支持图像画面冻结、放大和移动。
2.2 视频转换器硬件系统
笔者设计的VGA/TV视频转换卡主要由电源电路、视频转换电路和视频转换控制电路组成．其硬件系统框图如图2所示。
机载电源为27V，为确保系统的兼容性，采用Vieor专用电源模块实现机载电源到5V纯净系统电源的转换，为系统正常工作提供可靠的环境。
机载显控器输出的VGA信号输入到系统前端，经过处理(整形等)输入AIT2138内。AIT2138根据输入VGA信号的刷新频率，对一帧VGA逐行扫描视频信号进行A／D采样，经过缓冲、箝位，缓存在外部的SDRAM中，经过奇偶场重组和场内的数据插值处理，然后经过D／A处理，在输出端转换为模拟视频信号。
系统的控制模块由AT89C51来实现．采用通用I／O模拟FC总线，完成AIT2138上电初始化和内部寄存器设定。
2.3系统硬件设计中需要特别注意的事项
2.3.1 视频前端处理
VGA信号输入可通过Arl"2138的3个8 bitA/D转换器来对R、G、B信号的每一个通道按照48MHz的采样率进行MD转换。HSYNC和VSYNC由施密特触发器缓冲。A／D转换器的转换参考电压可以自己设定。设计的RGB信号电平范围是OV~O.85 V，给定的外部参考电压为VK，该电压不能低于RGB信号电平的最大值。数字视频处理是利用YUV色彩分量来进行的，因此利用AIT2138中的RGB—YUV矩阵将输入的RGB信号转换为4：2：2格式的YUV分量信号。其中，YUV每个分量输出长度为8 bit，总的输出信号在数据总线上以24 bit工作。在实验中发现：AIT2138内部的5线抗闪烁有限脉冲响应数字滤波器可有效降低输出PAL制式电视信号的闪烁。
2.3.2 设定工作模式
AIT2138有主、从二种模式。本设计中选用了主模式，在这种模式下，该电路可产生所有的时钟和同步信号，并且能给外部的存储设备提供水平同步和垂直同步以及内部像素时钟。电路外部的多路同步输入、FIFO和存储器都将严格遵循AIT2138提供的同步信号和时钟。
2.3.3 数字视频编码
AIT2138的核心是处理器部分。主要用于从外部存储设备中读入4：2：2格式的YUV数字视频数据．然后进行编码处理。由于输入的信号分亮度和色度两种信号分量，色度信号通过复合数字副载波调制，所以可将亮度和色度信号分别插值为像素速率的2倍。并通过2个10 bit D／A转换器转换为模拟合成视频信号，再通过第三个通道的10 bit转换器输出，必须注意调整AIT2138格式控制脚，选择不同的时钟参数，将视频转换器的输出设置为机载多功能显示器兼容的PAL制式标准电视信号输出。
3 系统软件设计
3.1 I2C协议实现
I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。它具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速设备同步功能的高性能串行总线。I2C总线上的器件之间通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL相连接传送信息。
本系统中用AT89C51的P4口的I／0引脚1和2分别模拟12C总线的SCL和SDA引脚。AT89C51作为主控器在总线上发送命令，AIT2138作为接收器接收总线上的命令。作为总线裁决的重要信息．发送命令中必须包括AIT2138的地址信息，其地址为88H。AIT2138的F2C读流程如图3所示。
AIT2138的写流程相对简单，不需要在写入器件地址后进行读写转换．也就是上面时序中强制加入的第二个Start Condition(启动条件)。需要注意的是在I2C总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应。这里的时钟脉冲不像一般的时钟必须是周期性的，它的时钟间隔可以不同。总线备用时(即“非忙”状态)，SDA和SCL必须保持高电平，关闭I2C总线时才使SCL箝位在低电平。只有当总线处于“非忙”状态时，数据传输才能被初始化。在数据传输期间．只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定．只有在时钟线为低电平时才允许数据线上的电平改变。在时钟线保持高电平期间，数据线上的下降沿为启动信号，上升沿为停止信号，启动和停止信号都由主机产生。AIT2138容易监测这些信号。
3.2 系统软件流程
软件设计是该系统设计中的一个难点。在系统第一版设计中，采用了AIT2138自动检测输入端的VGA视频信号对行、场同步频率进行设定，同步内部视频A／D转换和外部视频缓存内部的分场、视频转换过程。在使用过程中，发现机载多功能显示器上图像抖动，而且显示图像位置相对多功能显示器的视场有一定偏移，严重影响了视频效果。
研究发现：问题出在AIT2138的自适应调整功能上，其内部对VGA信号的行、场同步信号规定了几个挡位，以场同步为例，分为63 Hz-69 Hz，69 Hz-73Hz．73 Hz-79Hz，79Hz～85Hz4个挡位，由于其内部自动监测功能不完善，因此容易把刷新频率为75 Hz的视频信号归到69 Hz~73 Hz的挡位中，容易造成后端模拟视频输出抖动。后端视频视场的偏移与AIT2138内部的HPR和VPR有关。所以笔者提出如下优化控制方案。软件的流程如图4所示。
AT89C2051首先对转换器输入端口进行有无行同步信号的检测。若有，则继续检测有无场同步信号，若无则判断为5线制视频信号，输入5线制视频信号时。信号的行、场同步信号直接接人AIT2138。然后通过设定AT89C2051内的2个16位定时器取值来设置行、场频率计数的时间阈值。在规定的时间间隔内对接人AT89C2051的2个I／O引脚的行、场同步信号线上出现的脉冲进行计数。通过计算脉冲个数与时间间隔的比值可得到确切的行、场频率。在得到行、场频率后，对AIT12138转换过程中要处理的5线制视频信号的具体参数进行优化计算，包括逐行视频图像的截取位置、面积和隔行电视图像显示的位置等．然后通过FC接口对AT12138进行编程控制。
4 系统抗干扰设计
在设计过程中，考虑到设备对外部的适应性，主要采取了以下措施：机壳采用金属铝件，机壳的金属部分良好接地，具有防护电磁干扰的作用；为了保证各个组件地线的接线端之间能长期、可靠地连接，采用了镀锡的铜接线片，同时，将接线片用螺钉固定在机座上，保证长期接地良好，并对整个组件进行防潮处理；按键面板通过铜质导线与机壳接触良好，防止外界电磁波干扰设备的正常工作；在电源输出端并接高、低频滤波电容器，防止电源高、低频噪声对元器件的影响。在PCB设计中需要注意：数字地与模拟地分离，应用EMI滤波装置以减少VDDA的电源噪声；LPF到AITl2138的整体电路引脚长度应当小于0.5英寸；VDDA和VSSA端应接0.1μF的旁路电容器以减少噪音。
5 结束语
这种VGA／TV转换器的特点是对采用逐行扫描方式微机输出的视频信号进行转换，并且可以得到广播电视级的PAL制式电视视频信号。经过在某型战机上试飞，获得效果很好的PAL制式标准电视视频信号，具有较高的应用价值。
随着多媒体视频技术的发展，教育、商务演示、游戏娱乐、视频监控、机载视频显示等领域均要求将PC输出的VGA视频信号转化成适合普通电视的标准电视信号。目前，VGA视频绝大多数采用逐行扫描技术，而模拟电视信号则采用隔行扫描技术．且各自的行频和场频不相同，因此，设计专门的VGA／TV视频转换器显得非常必要和迫切。VGA／TV视频转换器的基本原理是通过帧存储器用一种制式的时序写帧存．而用另一种制式的时序读帧存，并用增减行场的方法调整扫描频率，直至形成标准的电视信号格式。 我国许多飞机使用类似彩色电视的PAL制显示器。在显示图形分辨率要求不苛刻的情况下，完全可以利用这些现有设备作为机载计算机的显示终端。但一般计算机的显示接口并不直接支持PAL制式．需要在VGA接口和PAL制式之间进行适当的转换。为实现显示控制器VGA信号到模拟TV视频信号的转换，兼容多功能显示器的模拟视频的显示方式．笔者设计了一种基于AIT2138的VGMTV视频转换器。该视频转换器将通用VGA信号转换为广播质量级的PAL制视频信号，当然AIT2138的输出也支持NTSC和S-Video视频格式，但在本文不考虑这二种输出格式。
本文介绍AIT2138的功能，给出VGA／TV视频转换器硬件系统工作原理和设计思路；介绍系统软件设计．用单片机灵活实现用12C总线对视频转换核心电路AIT2138的编程控制，对输入各种视频信号的自动监测、自动处理方法进行了研究。
2 AIT2138及硬件系统的工作原理
2.1 AIT2138的主要功能
AIT2138型视频转换器处理标准VGA的模拟R、G、B信号，并将其转换成NrPSC或PAL制式的视频信号。扫描频率的转换借助外部帧存储器完成。AIT2138可将640x480(85 Hz)、800x600(75 Hzl、1024x768(60 Hz)、16．7 MHz的真彩色图像转换成NTPSC或PAL制式的视频信号。所有视频信号均以数字方式处理。由于在D／A转换端采用超采样电路技术，从而使模拟输出滤波器非常简单。电路的3个输出引脚能同时组合输出复合视频和S—Video(亮度与色度分离)、RGB或YCbCr信号。AIT2138支持VESA DPMS节能方式，可以有效降低系统的功耗。
Arl2138的内部功能框图如图1所示。
其特点如下：
(1)同屏显示于PC/TV，即插即用，I2C控制，无需驱动程序：
(2)支持256 Kxl6 bit的EDO存储或1 Mxl6 bit的SDRAM：
(3)FIic—FreeTM抗闪烁滤波技术，支持图像画面冻结、放大和移动。
2.2 视频转换器硬件系统
笔者设计的VGA/TV视频转换卡主要由电源电路、视频转换电路和视频转换控制电路组成．其硬件系统框图如图2所示。
机载电源为27V，为确保系统的兼容性，采用Vieor专用电源模块实现机载电源到5V纯净系统电源的转换，为系统正常工作提供可靠的环境。
机载显控器输出的VGA信号输入到系统前端，经过处理(整形等)输入AIT2138内。AIT2138根据输入VGA信号的刷新频率，对一帧VGA逐行扫描视频信号进行A／D采样，经过缓冲、箝位，缓存在外部的SDRAM中，经过奇偶场重组和场内的数据插值处理，然后经过D／A处理，在输出端转换为模拟视频信号。
系统的控制模块由AT89C51来实现．采用通用I／O模拟FC总线，完成AIT2138上电初始化和内部寄存器设定。
2.3系统硬件设计中需要特别注意的事项
2.3.1 视频前端处理
VGA信号输入可通过Arl"2138的3个8 bitA/D转换器来对R、G、B信号的每一个通道按照48MHz的采样率进行MD转换。HSYNC和VSYNC由施密特触发器缓冲。A／D转换器的转换参考电压可以自己设定。设计的RGB信号电平范围是OV~O.85 V，给定的外部参考电压为VK，该电压不能低于RGB信号电平的最大值。数字视频处理是利用YUV色彩分量来进行的，因此利用AIT2138中的RGB—YUV矩阵将输入的RGB信号转换为4：2：2格式的YUV分量信号。其中，YUV每个分量输出长度为8 bit，总的输出信号在数据总线上以24 bit工作。在实验中发现：AIT2138内部的5线抗闪烁有限脉冲响应数字滤波器可有效降低输出PAL制式电视信号的闪烁。
2.3.2 设定工作模式
AIT2138有主、从二种模式。本设计中选用了主模式，在这种模式下，该电路可产生所有的时钟和同步信号，并且能给外部的存储设备提供水平同步和垂直同步以及内部像素时钟。电路外部的多路同步输入、FIFO和存储器都将严格遵循AIT2138提供的同步信号和时钟。
2.3.3 数字视频编码
AIT2138的核心是处理器部分。主要用于从外部存储设备中读入4：2：2格式的YUV数字视频数据．然后进行编码处理。由于输入的信号分亮度和色度两种信号分量，色度信号通过复合数字副载波调制，所以可将亮度和色度信号分别插值为像素速率的2倍。并通过2个10 bit D／A转换器转换为模拟合成视频信号，再通过第三个通道的10 bit转换器输出，必须注意调整AIT2138格式控制脚，选择不同的时钟参数，将视频转换器的输出设置为机载多功能显示器兼容的PAL制式标准电视信号输出。
3 系统软件设计
3.1 I2C协议实现
I2C总线是一种简单、双向二线制同步串行总线。它具备多主机系统所需的包括总线裁决和高低速设备同步功能的高性能串行总线。I2C总线上的器件之间通过串行数据线SDA和串行时钟线SCL相连接传送信息。
本系统中用AT89C51的P4口的I／0引脚1和2分别模拟12C总线的SCL和SDA引脚。AT89C51作为主控器在总线上发送命令，AIT2138作为接收器接收总线上的命令。作为总线裁决的重要信息．发送命令中必须包括AIT2138的地址信息，其地址为88H。AIT2138的F2C读流程如图3所示。
AIT2138的写流程相对简单，不需要在写入器件地址后进行读写转换．也就是上面时序中强制加入的第二个Start Condition(启动条件)。需要注意的是在I2C总线上每传输一位数据都有一个时钟脉冲相对应。这里的时钟脉冲不像一般的时钟必须是周期性的，它的时钟间隔可以不同。总线备用时(即“非忙”状态)，SDA和SCL必须保持高电平，关闭I2C总线时才使SCL箝位在低电平。只有当总线处于“非忙”状态时，数据传输才能被初始化。在数据传输期间．只要时钟线为高电平，数据线都必须保持稳定．只有在时钟线为低电平时才允许数据线上的电平改变。在时钟线保持高电平期间，数据线上的下降沿为启动信号，上升沿为停止信号，启动和停止信号都由主机产生。AIT2138容易监测这些信号。
3.2 系统软件流程
软件设计是该系统设计中的一个难点。在系统第一版设计中，采用了AIT2138自动检测输入端的VGA视频信号对行、场同步频率进行设定，同步内部视频A／D转换和外部视频缓存内部的分场、视频转换过程。在使用过程中，发现机载多功能显示器上图像抖动，而且显示图像位置相对多功能显示器的视场有一定偏移，严重影响了视频效果。
研究发现：问题出在AIT2138的自适应调整功能上，其内部对VGA信号的行、场同步信号规定了几个挡位，以场同步为例，分为63 Hz-69 Hz，69 Hz-73Hz．73 Hz-79Hz，79Hz～85Hz4个挡位，由于其内部自动监测功能不完善，因此容易把刷新频率为75 Hz的视频信号归到69 Hz~73 Hz的挡位中，容易造成后端模拟视频输出抖动。后端视频视场的偏移与AIT2138内部的HPR和VPR有关。所以笔者提出如下优化控制方案。软件的流程如图4所示。
AT89C2051首先对转换器输入端口进行有无行同步信号的检测。若有，则继续检测有无场同步信号，若无则判断为5线制视频信号，输入5线制视频信号时。信号的行、场同步信号直接接人AIT2138。然后通过设定AT89C2051内的2个16位定时器取值来设置行、场频率计数的时间阈值。在规定的时间间隔内对接人AT89C2051的2个I／O引脚的行、场同步信号线上出现的脉冲进行计数。通过计算脉冲个数与时间间隔的比值可得到确切的行、场频率。在得到行、场频率后，对AIT12138转换过程中要处理的5线制视频信号的具体参数进行优化计算，包括逐行视频图像的截取位置、面积和隔行电视图像显示的位置等．然后通过FC接口对AT12138进行编程控制。
4 系统抗干扰设计
在设计过程中，考虑到设备对外部的适应性，主要采取了以下措施：机壳采用金属铝件，机壳的金属部分良好接地，具有防护电磁干扰的作用；为了保证各个组件地线的接线端之间能长期、可靠地连接，采用了镀锡的铜接线片，同时，将接线片用螺钉固定在机座上，保证长期接地良好，并对整个组件进行防潮处理；按键面板通过铜质导线与机壳接触良好，防止外界电磁波干扰设备的正常工作；在电源输出端并接高、低频滤波电容器，防止电源高、低频噪声对元器件的影响。在PCB设计中需要注意：数字地与模拟地分离，应用EMI滤波装置以减少VDDA的电源噪声；LPF到AITl2138的整体电路引脚长度应当小于0.5英寸；VDDA和VSSA端应接0.1μF的旁路电容器以减少噪音。
5 结束语
这种VGA／TV转换器的特点是对采用逐行扫描方式微机输出的视频信号进行转换，并且可以得到广播电视级的PAL制式电视视频信号。经过在某型战机上试飞，获得效果很好的PAL制式标准电视视频信号，具有较高的应用价值。
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