機載電視制導VGA/TV轉換器的設計與實(shí)現
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1 引言
隨著(zhù)多媒體視頻技術(shù)的發(fā)展，教育、商務(wù)演示、游戲娛樂(lè )、視頻監控、機載視頻顯示等領(lǐng)域均要求將PC輸出的VGA視頻信號轉化成適合普通電視的標準電視信號。目前，VGA視頻絕大多數采用逐行掃描技術(shù)，而模擬電視信號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，設計專(zhuān)門(mén)的VGA／TV視頻轉換器顯得非常必要和迫切。VGA／TV視頻轉換器的基本原理是通過(guò)幀存儲器用一種制式的時(shí)序寫(xiě)幀存．而用另一種制式的時(shí)序讀幀存，并用增減行場(chǎng)的方法調整掃描頻率，直至形成標準的電視信號格式。
我國許多飛機使用類(lèi)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有設備作為機載計算機的顯示終端。但一般計算機的顯示接口并不直接支持隊PAL制式．需要在VGA接口和PAL制式之間進(jìn)行適當的轉換。為實(shí)現顯示控制器VGA信號到模擬TV視頻信號的轉換，兼容多功能顯示器的模擬視頻的顯示方式．筆者設計了一種基于A(yíng)IT2138的VGMTV視頻轉換器。該視頻轉換器將通用VGA信號轉換為廣播質(zhì)量級的PAL制視頻信號，當然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視頻轉換器硬件系統工作原理和設計思路；介紹系統軟件設計．用單片機靈活實(shí)現用12C總線(xiàn)對視頻轉換核心電AIT2138的編程控制，對輸入各種視頻信號的自動(dòng)監測、自動(dòng)處理方法進(jìn)行了研究。
2 AIT2138及硬件系統的工作原理
2．1 AIT2138的主要功能
AIT2138型視頻轉換器處理標準VGA的模擬R、G、B信號，并將其轉換成NrPSC或PAL制式的視頻信號。掃描頻率的轉換借助外部幀存儲器完成。AIT2138可將640x480(85 Hz)、800x600(75 Hzl、1024x768(60 Hz)、16．7 MHz的真彩色圖像轉換成NTPSC或PAL制式的視頻信號。所有視頻信號均以數字方式處理。由于在。D／A轉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)組合輸出復合視頻和S—Video(亮度與色度分離)、RGB或YCbCr信號。AIT2138支持VESA DPMS節能方式，可以有效降低系統的功耗．
Arl2138的內部功能框圖如圖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)需驅動(dòng)程序：
(2)支持256 Kxl6 bit的EDO存儲或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、放大和移動(dòng)。
2．2 視頻轉換器硬件系統
筆者設計的VGA/TV視頻轉換卡主要由電源電路、視頻轉換電路和視頻轉換控制電路組成．其硬件系統框圖如圖2所示。
機載電源為27V，為確保系統的兼容性，采用Vieor專(zhuān)用電源模塊實(shí)現機載電源到5V純凈系統電源的轉換，為系統正常工作提供可靠的環(huán)境。
機載顯控器輸出的VGA信號輸入到系統前端，經(jīng)過(guò)處理(整形等)輸入AIT2138內。AIT2138根據輸入VGA信號的刷新頻率。對一幀VGA逐行掃描視頻信號進(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)內的數據插值處理，然后經(jīng)過(guò)D／A處理，在輸出端轉換為模擬視頻信號。
系統的控制模塊由AT89C51來(lái)實(shí)現．采用通用I／O模擬FC總線(xiàn)，完成AIT2138上電初始化和內部寄存器設定。
2．3 系統硬件設計中需要特別注意的事項
2．3．1 視頻前端處理
VGA信號輸入可通過(guò)Arl"2138的3個(gè)8 bitA/D轉換器來(lái)對R、G、B信號的每一個(gè)通道按照48MHz的采樣率進(jìn)行MD轉換。HSYNC和VSYNC由施密特觸發(fā)器緩沖。A／D轉換器的轉換參考電壓可以自己設定。設計的RGB信號電平范圍是OV~O．85 V，給定的外部參考電壓為VK，該電壓不能低于RGB信號電平的最大值。數字視頻處理是利用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信號轉換為4：2：2格式的YUV分量信號。其中，YUV每個(gè)分量輸出長(cháng)度為8 bit，總的輸出信號在數據總線(xiàn)上以24 bit工作。在實(shí)驗中發(fā)現：AIT2138內部的5線(xiàn)抗閃爍有限脈沖響應數字濾波器可有效降低輸出PAL制式電視信號的閃爍。
2．3．2 設定工作模式
AIT2138有主、從二種模式。本設計中選用了主模式，在這種模式下，該電路可產(chǎn)生所有的時(shí)鐘和同步信號，并且能給外部的存儲設備提供水平同步和垂直同步以及內部像素時(shí)鐘。電路外部的多路同步輸入、FIFO和存儲器都將嚴格遵循AIT2138提供的同步信號和時(shí)鐘。
2．3．3 數字視頻編碼
AIT2138的核心是處理器部分。主要用于從外部存儲設備中讀入4：2：2格式的YUV數字視頻數據．然后進(jìn)行編碼處理。由于輸入的信號分亮度和色度兩種信號分量，色度信號通過(guò)復合數字副載波調制．所以可將亮度和色度信號分別插值為像素速率的2倍．并通過(guò)2個(gè)10 bit D／A轉換器轉換為模擬合成視頻信號，再通過(guò)第三個(gè)通道的10 bit轉換器輸出，必須注意調整AIT2138格式控制腳，選擇不同的時(shí)鐘參數．將視頻轉換器的輸出設置為機載多功能顯示器兼容的PAL制式標準電視信號輸出。
3 系統軟件設計
3．1 I2C協(xié)議實(shí)現
I2C總線(xiàn)是一種簡(jiǎn)單、雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)．它具備多主機系統所需的包括總線(xiàn)裁決和高低速設備同步功能的高性能串行總線(xiàn)。I2C總線(xiàn)上的器件之間通過(guò)串行數據線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL相連接．傳送信息。
本系統中用AT89C51的P4口的I／0引腳1和2分別模擬12C總線(xiàn)的SCL和SDA引腳。AT89C51作為主控器在總線(xiàn)上發(fā)送命令．AIT2138作為接收器接收總線(xiàn)上的命令。作為總線(xiàn)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(xiě)流程相對簡(jiǎn)單．不需要在寫(xiě)入器件地址后進(jìn)行讀寫(xiě)轉換．也就是上面時(shí)序中強制加入的第二個(gè)Start Condition(啟動(dòng)條件)。需要注意的是在I2C總線(xiàn)上每傳輸一位數據都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對應。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?？偩€(xiàn)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(xiàn)時(shí)才使SCL箝位在低電平。只有當總線(xiàn)處于“非忙”狀態(tài)時(shí)，數據傳輸才能被初始化。在數據傳輸期間．只要時(shí)鐘線(xiàn)為高電平，數據線(xiàn)都必須保持穩定．只有在時(shí)鐘線(xiàn)為低電平時(shí)才允許數據線(xiàn)上的電平改變。在時(shí)鐘線(xiàn)保持高電平期間，數據線(xiàn)上的下降沿為啟動(dòng)信號，上升沿為停止信號，啟動(dòng)和停止信號都由主機產(chǎn)生。AIT2138容易監測這些信號。
3．2 系統軟件流程
軟件設計是該系統設計中的一個(gè)難點(diǎn)，在系統第一版設計中．采用了AIT2138自動(dòng)檢測輸入端的VGA視頻信號對行、場(chǎng)同步頻率進(jìn)行設定，同步內部視頻A／D轉換和外部視頻緩存內部的分場(chǎng)、視頻轉換過(guò)程。在使用過(guò)程中，發(fā)現機載多功能顯示器上圖像抖動(dòng)．而且顯示圖像位置相對多功能顯示器的視場(chǎng)有一定偏移，嚴重影響了視頻效果。
研究發(fā)現．問(wèn)題出在A(yíng)IT2138的自適應調整功能上．其內部對VGA信號的行、場(chǎng)同步信號規定了幾個(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，由于其內部自動(dòng)監測功能不完善．因此容易把刷新頻率為75 Hz的視頻信號歸到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首先對轉換器輸入端口進(jìn)行有無(wú)行同步信號的檢測。若有，則繼續檢測有無(wú)場(chǎng)同步信號．若無(wú)則判斷為5線(xiàn)制視頻信號，輸入5線(xiàn)制視頻信號時(shí)。信號的行、場(chǎng)同步信號直接接人AIT2138。然后通過(guò)設定AT89C2051內的2個(gè)16位定時(shí)器取值來(lái)設置行、場(chǎng)頻率計數的時(shí)間閾值。在規定的時(shí)間間隔內對接人AT89C2051的2個(gè)I／O引腳的行、場(chǎng)同步信號線(xiàn)上出現的脈沖進(jìn)行計數．通過(guò)計算脈沖個(gè)數與時(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AIT12138轉換過(guò)程中要處理的5線(xiàn)制視頻信號的具體參數進(jìn)行優(yōu)化計算，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AT12138進(jìn)行編程控制。
4 系統抗干擾設計
在設計過(guò)程中．考慮到設備對外部的適應性，主要采取了以下措施：機殼采用金屬鋁件，機殼的金屬部分良好接地，具有防護電磁干擾的作用；為了保證各個(gè)組件地線(xiàn)的接線(xiàn)端之間能長(cháng)期、可靠地連接．采用了鍍錫的銅接線(xiàn)片，同時(shí)，將接線(xiàn)片用螺釘固定在機座上，保證長(cháng)期接地良好，并對整個(gè)組件進(jìn)行防潮處理：按鍵面板通過(guò)銅質(zhì)導線(xiàn)與機殼接觸良好．防止外界電磁波干擾設備的正常工作；在電源輸出端并接高、低頻濾波電容器，防止電源高、低頻噪聲對元器件的影響。在PCB設計中需要注意：數字地與模擬地分離，應用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(cháng)度應當小于0．5英寸；VDDA和VSSA端應接O．1μF的旁路電容器以減少噪音。
5 結束語(yǔ)
這種VGA／TV轉換器的特點(diǎn)是對采用逐行掃描方式微機輸出的視頻信號進(jìn)行轉換．并且可以得到廣播電視級的PAL制式電視視頻信號。經(jīng)過(guò)在某型戰機上試飛，獲得效果很好的PAL制式標準電視視頻信號，具有較高的應用價(jià)值。
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