基于DVI和FPGA的視頻疊加器設計

摘 要： 利用FPGA作為主控單元，以數字視頻接口DVI為視頻接口、TI公司的TFP401和TFP410為視頻信號的編解碼芯片、ISSI公司的SRAM IS61LV10248-8TI為存儲單元完成視頻疊加器的設計。通過(guò)該系統，從路圖像的非黑像素能夠覆蓋主路圖像相同坐標的像素。
關(guān)鍵詞： 數字視頻疊加；FPGA；最小化傳輸差分信號

　飛機研發(fā)過(guò)程中，需要對包含目標信息和地圖信息的機載視頻信號進(jìn)行調試。但是機載顯示終端普遍存在價(jià)格昂貴、使用壽命短等缺點(diǎn)，如果使用它不斷地調試機載視頻信號，則機載顯示終端的消耗會(huì )增大，研發(fā)成本將大幅提高。
本文介紹了一種DVI視頻信號疊加器的設計方案，可以對兩組相同分辨率和刷新頻率的DVI視頻信號轉化、合成并輸出。通過(guò)該系統，從路圖像的非黑像素能夠覆蓋主路圖像相同坐標的像素，從而完成對機載顯示終端的模擬。該方案主要以1024×768@60Hz的視頻源為研究對象，可根據實(shí)際需要調節，并可支持多種分辨率和刷新頻率(640×480@60Hz，800×600@60Hz，1024×768@60Hz)。
由于設計了這種模擬裝置，因此不必用機載顯示終端調試機載視頻信號，從而減少對機載顯示終端的消耗。DVI視頻信號疊加器的使用，節約了開(kāi)發(fā)成本。

1 DVI接口
數字視頻接口（DVI）是一種適應數字顯示器飛速發(fā)展而產(chǎn)生的顯示接口。DVI 標準由 DDWG（Digital Display Working Group）于1999年4月正式推出，該組織包括了Intel、IBM、HP、Silicon Image、NEC等眾多芯片及整機的生產(chǎn)廠(chǎng)家，因而 DVI 標準具有廣泛的業(yè)界支持[1]。DVI的接口主要有兩種類(lèi)型：DVI-Digital(DVI-D)，只支持數字式顯示器，共 24 個(gè) 引 腳；DVI-Integrated(DVI-I)，兼容模擬和數字的連接，共29個(gè)引腳。計算機顯卡一般有DVI-I和VGA兩個(gè)接口。本設計選用的是 DVI-I 接口，相對于VGA(Video Graphics Array)接口，其優(yōu)勢突出，DVI傳輸的是數字信號，數字圖像信息不需經(jīng)過(guò)數字→模擬→數字繁瑣的轉換過(guò)程，就會(huì )直接被傳送到顯示設備上，大大節省了時(shí)間，因此它的速度更快，能有效消除拖影現象。而且VGA模擬信號易受干擾，DVI信號則抗干擾能力強，圖像信號沒(méi)有衰減，色彩更純凈、逼真。

2 VESA標準介紹
VESA(Video Electronics Standards Association)即視頻電子標準協(xié)會(huì )，主要致力于制訂并推廣顯示相關(guān)標準。它規定了各種分辨率和刷新頻率的顯示監視器定時(shí)標準（簡(jiǎn)稱(chēng)VESA標準）。

2.1 VESA標準時(shí)序圖與參數定義
從圖 1可以看出[2]，VESA標準包括場(chǎng)同步(VSYNC)、行同步(HSYNC)、像素數據有效(DE)、像素時(shí)鐘（CLK）、像素數據（Data，一般為24 bit）五組信號。

VESA標準的五組視頻信號之間有嚴格的定時(shí)參數，場(chǎng)（行）掃描包括場(chǎng)（行）消隱期和場(chǎng)（行）有效顯示期（即Addr Time）。場(chǎng)（行）消隱期又包括同步期（Sync）、后肩(Back Porch)、頂(左)邊(Top (Left)Border)、底（右）邊（Bottom (Right)Border）、前肩（Front Porch）。圖 1以行同步極性和場(chǎng)同步極性都是負極性為例，即同步期為低電平[2]。關(guān)于同步極性的規定(如在1 024×768@60Hz的視頻格式下)，如圖2中“Hor Sync Polarity=NEGATIVE”，“Ver Sync Polarity= NEGATIVE”所示。

2.2 VESA參數值舉例（1 024×768@60Hz）
VESA同樣規定了各種參數在不同分辨率和刷新頻率的具體值，例如1 024×768@60Hz的定時(shí)參數值如圖2所示[2]。結合圖 1與圖2便可容易地用VHDL語(yǔ)言生成1 024×768@60Hz的時(shí)序信號。

3 系統框圖
系統總體框圖如圖 3所示，大致可分為五個(gè)部分：DVI接口、DVI解碼電路、FPGA主控制器及存儲器電路、DVI編碼電路。本設計只選取了兩路綠色數據輸入信號進(jìn)行處理，故以下的像素數據信號（Data）無(wú)特殊說(shuō)明都是綠色的8位信號。

連接DVI接口的計算機顯卡，通過(guò)DDC[3，4]接口讀取存儲在EEPROM中的EDID[3]數據，在通信握手成功后，向DVI接口發(fā)出T.M.D.S視頻信號。DVI接口傳輸的T.M.D.S時(shí)序碼流，經(jīng)過(guò)T.M.D.S解碼電路可以被解碼為VESA標準的數字視頻信號。SRAM1（SRAM3）與SRAM2（SRAM4）構成VESA1（VESA2）鏈路的一組乒乓RAM，輪流存儲VESA1（VESA2）鏈路的像素數據。FPGA讀取已存儲的像素數據進(jìn)行疊加操作并產(chǎn)生VESA標準的視頻信號，然后通過(guò)VESA3鏈路發(fā)送到T.M.D.S編碼電路。T.M.D.S編碼電路將VESA3鏈路的VESA標準的信號編碼成T.M.D.S時(shí)序碼流，最后將其傳送到DVI接口，供顯示器顯示。引入乒乓RAM是由于即使兩路VESA視頻信號分辨率和刷新頻率相同，兩者一般也存在非零的相位差，所以需要存儲器對它們的像素數據進(jìn)行存儲。
T.M.D.S解碼電路的解碼芯片采用TFP401，T.M.D.S編碼電路的編碼芯片采用TFP410。SRAM選用IS61LV-
10248-8TI，其讀寫(xiě)周期為8 ns，存儲空間為1 M×8 bit，能夠滿(mǎn)足系統像素時(shí)鐘最高為65 MHz、最高分辨率為1024×768的要求。

4 工作流程
FPGA內部工作模塊如圖4所示。下面簡(jiǎn)要闡述關(guān)鍵信號的數據流向。

場(chǎng)同步極性判斷模塊的功能是根據輸入的VESA1信號判斷出場(chǎng)同步極性(VSP)，因VESA1和VESA2視頻格式相同，只需判斷VESA1的場(chǎng)同步極性。VESA1(VESA2)寫(xiě)地址生成模塊的功能是利用場(chǎng)同步極性實(shí)現寫(xiě)地址和像素位置的合理對應。輸出時(shí)序、寫(xiě)地址生成模塊的功能是利用場(chǎng)同步極性、VESA1寫(xiě)地址生成模塊生成的寫(xiě)地址a_write1和VESA1中的場(chǎng)同步信號，實(shí)現分辨率的判斷，進(jìn)而結合其他信號完成輸出時(shí)序的生成和讀地址的生成。SRAM控制模塊負責根據上述生成的讀地址和寫(xiě)地址，寫(xiě)入兩路VESA信號的新的像素數據，讀出先前存儲的兩路VESA信號像素數據。被讀出的兩個(gè)像素點(diǎn)將用于輸出時(shí)序、寫(xiě)地址生成模塊的像素疊加操作，產(chǎn)生的像素作為輸出像素。

4.1 場(chǎng)同步極性（Ver Sync Polarity）判斷
由于DE1＝１期間，VSYNC1信號必然處于非同步期，此時(shí)的電平與同步期相反。所以，在DE1=1時(shí)，若VSYNC1=1，則記為VSP=0(Ver Sync Polarity=NEGATIVE)，否則，記為VSP=1(Ver Sync Polarity=POSITIVE)。在實(shí)現該模塊的編程中，采用VESA1視頻信號中的CLK1像素時(shí)鐘信號上升沿來(lái)同步此進(jìn)程，可以保證產(chǎn)生的信號穩定。

4.2 VESA1和VESA2寫(xiě)地址生成
因為VESA1寫(xiě)地址生成與VESA2寫(xiě)地址生成類(lèi)似，這里只介紹VESA1的寫(xiě)地址（a_write1）生成。由于系統中SRAM的地址總線(xiàn)為20位（尋址能力1M），所以a_write1為20位。若將輸入視頻信號的分辨率記為def，則VESA1一幀像素數據所需SRAM空間范圍是0~def-1。因此，在場(chǎng)同步期間(VSYNC1=VSP)，可令a_write1=220-1。在非場(chǎng)同步期間，若處于像素數據有效期（DE1=1），則當像素時(shí)鐘（CLK1）上升沿到來(lái)時(shí)，對a_write1實(shí)行自加一操作（假設已設置T.M.D.S解碼器1輸出的控制信號及像素數據在CLK1的上升沿前后穩定）；若處于像素數據無(wú)效期（DE1≠0），則a_write1保持不變。這樣，在一幀圖像期間，對應從圖像左上角開(kāi)始計數的每個(gè)像素數據，便可形成0~def-1的地址范圍。

4.3 輸出時(shí)序、讀地址生成
4.3.1 分辨率判斷
a_write1（VESA1寫(xiě)地址）的范圍是0~def-1，而a_write1完成從def-1到0跳變的觸發(fā)源正是場(chǎng)同步信號（VSYNC1）從非同步期到同步期的跳變。因此，可定義一信號def_clk，當VSYNC1≠VSP時(shí)，def_clk=0，否則，def_clk=1。這樣，當def_clk上升沿到來(lái)時(shí)，正是場(chǎng)同步信號從非同步期到同步期的跳變，此時(shí)若令20位信號def_1= a_write1(等于def-1)，且令def=def_1+1，則可得真正的分辨率，。

4.3.2 暫時(shí)輸出時(shí)序控制信號生成
VESA標準的控制信號包括VSYNC、HSYNC、DE。由于已知兩路視頻信號的分辨率（def），這時(shí)將VESA1的像素時(shí)鐘(CLK1)作為暫時(shí)的輸出時(shí)序像素時(shí)鐘(CLK33)，再結合VESA標準的介紹，便可生成分辨為def的暫時(shí)的輸出時(shí)序控制信號VSYNC33、HSYNC33、DE33。

4.3.3 VESA3讀地址生成
由于此地址生成方法與VESA1和VESA2寫(xiě)地址生成方法相同，只是此處生成的地址是SRAM控制器用來(lái)讀取像素數據而已，故不再贅述。

4.3.4 換場(chǎng)信號生成
當主時(shí)序換場(chǎng)時(shí)，每一路視頻信號的兩片SRAM需要交換讀寫(xiě)方式，即若換場(chǎng)前讀SRAM1、SRAM3，寫(xiě)SRAM2、SRAM4，則換場(chǎng)后讀SRAM2、SRAM4，寫(xiě)SRAM1、SRAM3。因此需要一個(gè)信號在主時(shí)序相鄰兩場(chǎng)的電平不同，即換場(chǎng)信號，記為v_trans。此信號用來(lái)控制圖 4中SRAM控制模塊的讀寫(xiě)方式。
v_trans的生成方式比較簡(jiǎn)單，只需在VSYNC33的上升沿到來(lái)時(shí)將v_trans取反即可。

4.3.5 輸出時(shí)序同步處理和疊加像素生成
由于信號在FPGA生成的電路存在延遲，主時(shí)序控制信號和像素時(shí)鐘信號可能產(chǎn)生不同步現象。因此需要對控制信號進(jìn)行同步處理，同步期間同時(shí)生成像素數據Data3（VESA3像素數據）并輸出。VESA3中的像素時(shí)鐘直接短接CLK33即可。Data11（Data22）是從SRAM中讀取的VESA1（VESA2）鏈路像素數據。
同步過(guò)程為CLK33下降沿到來(lái)時(shí)輸出控制信號和像素數據。由于本文將VESA1作為主路、VESA2作為從路，所以要將VESA2信號疊加在VESA1上。疊加算法為：若VESA2第i個(gè)像素點(diǎn)（Data22）為黑色（Data22=0），則輸出的VESA3第i個(gè)像素為VESA1的第i個(gè)像素（Data11），即Data3=Data11；否則，輸出的VESA3第i個(gè)像素為VESA2的第i個(gè)像素,即Data3=Data22。

4.4 SRAM控制
將SRAM1和SRAM2分為一組，對應VESA1鏈路；將SRAM3和SRAM4分為一組，對應VESA2鏈路。SRAM控制模塊需要對每一組中的兩塊SRAM輪流進(jìn)行讀寫(xiě)操作。若v_trans=0，則用VESA3讀地址生成模塊產(chǎn)生的地址a_read來(lái)讀取SRAM1、SRAM3，分別得像素數據Data11、Data22，同時(shí)用VESA1、VESA2寫(xiě)地址生成模塊產(chǎn)生的地址a_write1、a_write2分別將Data1、Data2寫(xiě)入SRAM2、SRAM4；否則，用地址a_read讀取SRAM2、SRAM4，分別得像素數據Data11、Data22，同時(shí)用地址a_write1和a_write2分別將Data1和Data2寫(xiě)入SRAM1、SRAM3。Data11、Data22被送至輸出時(shí)序、讀地址生成模塊進(jìn)行疊加像素生成。

5 實(shí)驗結果
對于1 024×768@60Hz的VESA時(shí)序，控制信號（vsync，hsync，de）和像素時(shí)鐘（idck）的仿真結果如圖 5所示，其他分辨率的仿真圖不再給出。經(jīng)過(guò)測量場(chǎng)同步信號和行同步信號的周期分別為16.7 ms、20.7 ?滋s，與VESA標準[2]一致，其他參數經(jīng)測量也吻合，不再列舉。

由于只對兩路視頻中的綠色信號進(jìn)行了疊加，顯示色數有些不足。后期研究可向全彩色視頻疊加方向努力。但彩色信號疊加與綠色信號疊加在原理上相同，只是意味著(zhù)要選用引腳數更多的FPGA。