一種非標準VGA－TV轉換器的實(shí)現

摘要：介紹了以AL128芯片為核心設計的一種將非標準視頻顯示模式轉換為標準電視視頻制式的視頻模式轉換器。對該視頻模式轉換器的工作原理、硬件構成及設計思路等給以了詳細的介紹。

關(guān)鍵詞：AL128A－TV數字視頻轉換芯片 標準電視制式 非標準VGM顯示模式 標準VGA顯示模式 分光光度儀 視頻采集卡 AL422視頻存儲器 AV9173視頻鎖相環(huán)芯片

由于歷史原因，在標準VGA圖形顯示模式為廣大生產(chǎn)廠(chǎng)家接受以前，許多儀器設備制造商都為自己的微機控制設備定制了專(zhuān)用的顯示輸出設備，特別是一些國外的醫療儀器、化學(xué)分析儀器及工業(yè)控制儀器的制造商。這些顯示輸出設備與其控制主機相連的方式是多種多樣的，其中常見(jiàn)的是R、G、B三色信號加下行同步和場(chǎng)同步信號的視頻輸出方式，但輸出的行頻、場(chǎng)頻、消隱及同步脈沖的寬度，以及R、G、B信號的輸出電平值常常不同于標準的VGA格式。這些特別的顯示輸出設備或相關(guān)的設備一旦損壞，一般很難找到替代品，給用戶(hù)造成很大的損失。例如，我校測試中心的一臺日本產(chǎn)的紅外光光度儀由于用于打印的熱敏頭損壞，使得原先打印輸出的圖形來(lái)分析結果，現在只能用顯示屏上的圖形上分析，給分析人員帶來(lái)很大麻煩，更主要的問(wèn)題在于顯示的結果無(wú)法永久保留不來(lái)（該儀器無(wú)存儲外設）。解決這一問(wèn)題的最快捷的方法就是將設備的輸出的非標準VGA信號轉換顧標準的電視頻制式信號，而后用視頻采集卡將圖像采集下來(lái)。這樣使采集卡下來(lái)的數據既可以保存在硬盤(pán)上，又可以打印出來(lái)存檔，非常方便。所以，解決問(wèn)題的關(guān)鍵就在于選擇一個(gè)合適的視頻轉換芯片。目前市售的VGA－TV轉換器大都要求標準VGA轉換模式輸入，而且其核心處理芯片一般都采用模擬視頻技術(shù)，無(wú)法將非標準的VGA模式下多種多樣的行頻和場(chǎng)頻轉換成標準電視制式的行頻和場(chǎng)頻，如AD722視頻制式轉換芯片。因此，我們選擇格磊（Averlogic）公司生產(chǎn)的VGA－TV數字視頻轉換芯片－AL128，自動(dòng)檢測輸入信號的行、場(chǎng)頻率值，然后自動(dòng)進(jìn)行行、場(chǎng)頻率調整，使最終輸出的視頻信號符合標準的電視制式。

1 AL128器件工作原理及性能特點(diǎn)簡(jiǎn)介

AL128芯片內主要包括數字視頻處理器、數字電視編碼器、視頻緩存區、3路8bit模／數轉換器、3路9bit數／模轉換器、時(shí)序信號發(fā)生器、外存儲器管理單 、以及各類(lèi)寄存器和芯片接口電路等。其內部組成框圖如圖1的所示。

從圖1中可以看出，AL128提供了模擬R、G、B電視信號輸入接口，在模擬R、G、B信號送到數字視頻處理器之前，需經(jīng)過(guò)8bit模／數轉換器，將模擬R、G、信號轉換為數字R、G、B信號。而后將其送到數字視頻處理器中，并通過(guò)行存儲器和場(chǎng)存儲器緩存，完成掃描方式變換、色度信號變換、行場(chǎng)頻率調整以及數字濾波等數字信號處理工作。經(jīng)過(guò)數字信號處理的視頻數據被送到視頻編碼器，對亮度信號、色差信號以及色副載波信號等進(jìn)行編碼，使其輸出變?yōu)榉蠌V播電視標準的復合視頻數字信號或S－Video和RGB數字視頻信號。最后經(jīng)過(guò)9bit的數／模轉換器，將數字信號變成標準的模擬電視信號。圖中的時(shí)序發(fā)生器主要是根據輸入的行同步信號（GHSYNC）和場(chǎng)同步信與（GVSYNC）產(chǎn)生的AL128讀寫(xiě)時(shí)序、控制時(shí)序、視頻輸出所需的各種信號及副載波信號等。除此之外，AL128芯片還提供I2C接口電路，使設計者可以使用外部微控制器去控制芯片內部32個(gè)寄存器，以滿(mǎn)足用戶(hù)的特殊要求。例如用戶(hù)可以根據實(shí)際情況控制圖像的截取位置、截取大小、 顯示位置和放大比例等。當然， 為了節約成本，一般情況下也以不要外部微控制器。

AL128具有以下性能特點(diǎn)：

（1） 能將VGA視頻顯示轉換為標準電視制式（NTSC／PAL）；

（2） 吭度集成化設計，內嵌NTSC／PAL編碼器、模／數轉換器、SRAN；

（3） 無(wú)需軟件或微控制器即要實(shí)現即插即用；

（4） 支持上至1024×768（75Hz）VGA顯示模式；

（5） 自動(dòng)識別和轉換50－100Hz范圍內的場(chǎng)頻；

（6） 只需4個(gè)按鉗就可成畫(huà)面凍結、縮放、移動(dòng)、亮度對比度控制等功能，還有產(chǎn)生標準的彩條信號；

（7） 提供I2C接口電路，使用戶(hù)可對芯片進(jìn)行編程控制；

（8） +5V單電源供電，并可由軟件控制其開(kāi)關(guān)。

2 轉換器的構成

圖2給出了使用AL128設計的轉換器的應用系統圖。轉換器由兩部分構成，第一部分是電平轉換電路，用于將分光光度儀輸出的行、場(chǎng)同步信號以及R、G、B信號（TTL電平）轉換成符合VGA電平標準的視頻信號；第二部分是以AL128為核心和VGA－TV轉換電路，用以輸出符合廣播采用BT848單片視頻采集芯片。

2.1 電平轉換電路

分光光度儀視頻輸出的接口電路由兩片ALS240反向器構成，像素點(diǎn)輸出的時(shí)鐘頻率為27.648MHz，輸出電平為標準TTL電平。而標準VGA的R、G、B輸出電平的峰－峰值為0.7V，這就要求對輸入信號進(jìn)行電平變換。為了便于說(shuō)明，現將幾種標準VGA模式與標準電視制式和分光光度儀視頻輸出模式的特點(diǎn)進(jìn)行比較，如表1所示。

從表中可以看出，儀器的視頻模式與VGA顯示模式的輸出電平有些不同，但它們的行、場(chǎng)步度相近，而且場(chǎng)頻都落在A(yíng)L128能自動(dòng)支持的范圍內（50－100MHz）,而行頻都落在鎖相芯片AV9137捕捉帶范圍仙（25KHz－1MHz）。采用數字視頻技術(shù)的AL128，可以準確地提取輸入信號的行、場(chǎng)頻率，并控制外部場(chǎng)存儲器的讀寫(xiě)時(shí)序，以準確輸出信號的行、場(chǎng)頻率符合NTST／PAL制的行、場(chǎng)頻率標準，并完成以?huà)呙璺绞降霓D換。電平轉換需要由外加電路實(shí)現，具體的R、G、B電平轉換電路如圖3所示。圖中74LS08主要起隔離作用，防止外加電路故障對對分光光度儀造成破壞。

2.2 視頻轉換電路

視頻轉換電路主要硬件結構如圖4所示，該電路是將經(jīng)電平轉換電路轉換后的非標準VGA視頻格式進(jìn)行自動(dòng)轉換處理，從而得到標準電視信號。其視頻輸出方式可以有三種，分別為復合視頻輸出、S端子輸出、RGB輸出。這種輸出是復用AL128的三個(gè)引腳，可選擇復合視頻輸出端或S端子輸出接到視頻采集卡上。

圖4中AV9137是ICS公司生產(chǎn)的視頻鎖相環(huán)芯片，其輸入的兩信信號是：作為參考的分光度儀的行同步信與和由AL128產(chǎn)生的GHSDIV信與（由像素點(diǎn)時(shí)鐘GCLK經(jīng)AL128內部分頻器分頻得到）。這兩路信與經(jīng)過(guò)芯片內部的相比較器、環(huán)路濾波器，進(jìn)而控制芯片內部的壓控振蕩器，就可產(chǎn)生AL128場(chǎng)存儲器寫(xiě)信號所需的視頻像素點(diǎn)時(shí)鐘GCLK。只要保證輸入的行頻落在25kHz－1MHz范圍內，就可以利用該鎖相環(huán)芯片產(chǎn)生10MHz－75MHz視頻像素點(diǎn)時(shí)鐘。AV9137的詳細輸入頻率和輸出頻率的關(guān)系可參考其數據手冊。

AL128外掛的兩片FIFO場(chǎng)存儲器采用Averlogic公司提供的AL128視頻存儲器。一共可在存儲兩場(chǎng)的數據，這兩片外掛存儲器的寫(xiě)選通分別為AL128的MWENL和MWENH來(lái)控制，并且需將AL128的MENCONFI置，MEMCONFO置1。每片外掛存儲器都含有38K×8bit的DRAM，該芯片內部采用兩套各自獨立的讀／寫(xiě)時(shí)鐘，讀／寫(xiě)周期僅為20ns，在50MHz視頻像素0點(diǎn)時(shí)鐘下足以支持 819×480byte的圖像數據的存儲。A128存儲器芯片的數據寫(xiě)時(shí)鐘／WCK、寫(xiě)復位／WRST、寫(xiě)允許／WE控制視頻像素點(diǎn)的寫(xiě)入，一幀圖像存完后內部寫(xiě)地址指針復位，又開(kāi)始順序寫(xiě)入數據。數據的讀出也是一樣，只是讀時(shí)鐘的步率是個(gè)固定值（NTST:;14.318MHz;PAL:17.734MHz），而且具體讀出的數據是AL128通過(guò)MREN來(lái)控制存儲器的／RE引腳。存儲器與AL128的接圖如圖5所示，其詳細的讀／寫(xiě)時(shí)序可參閱AL422的數據手冊。

3 分析與討論

將轉換器輸出的復合視頻信呈直接接入視頻監視器的VIDEO端口，用以觀(guān)察轉換器的視頻轉換效果。我們發(fā)現轉換器輸出的圖像很穩定，只是顯示區域發(fā)生一點(diǎn)變化。介這并不要緊，因為我們所采集的顯示曲線(xiàn)均在顯示區域內。造成顯示區域發(fā)生變化的原因是由于我們使用的是AL128內部硬件缺省值，而這些缺省值是根據標準VGA顯示模式制定的。它的行消隱脈沖的寬度、場(chǎng)消隱脈沖的寬度、前肩和后肩寬度以及同步脈沖的寬度均與分光光度儀輸出的顯示信號有差別，這就必然造成AL128截取的像素位置與分光光度儀實(shí)際顯示的像素位置無(wú)法完全一致。如果將該轉換器用作普通非標準VGA－TV轉換器使用，為了達到比較好的視頻轉換效果，要采用外接微控制器（如下8051）對A128的寄存器進(jìn)行控制。根據實(shí)際情況調整寄存器設置，特別是改變視頻像素點(diǎn)時(shí)鐘（Reg#28）、每行截取像素數（Reg#23）、每行截取的起始位置（Reg#23）、每行顯示的起始位置（Reg#52）、每行顯示比例（Reg#27）、每場(chǎng)截取的行數（Reg#24）、每場(chǎng)截取的起始位置（Reg#22）、每場(chǎng)可顯示的行數（Reg#25）這8個(gè)起決定作用的參數，就可達到廣播量級的電視視頻信呈的輸出標準。