機載電視制導VGA/TV轉換器的設計與實現(xiàn)
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1 引言
隨著多媒體視頻技術的發(fā)展，教育、商務演示、游戲娛樂、視頻監(jiān)控、機載視頻顯示等領域均要求將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(shù)采用逐行掃描技術，而模擬電視信號則采用隔行掃描技術．且各自的行頻和場頻不相同，因此，設計專門的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幀存儲器用一種制式的時序寫幀存．而用另一種制式的時序讀幀存，并用增減行場的方法調(diào)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(xiàn)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制式之間進行適當?shù)霓D換。為實現(xiàn)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AIT2138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(tǒng)工作原理和設計思路；介紹系統(tǒng)軟件設計．用單片機靈活實現(xiàn)用12C總線對視頻轉換核心電AIT2138的編程控制，對輸入各種視頻信號的自動監(jiān)測、自動處理方法進行了研究。
2 AIT2138及硬件系統(tǒng)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(shù)字方式處理。由于在。D／A轉換端采用超采樣電路技術，從而使模擬輸出濾波器非常簡單。電路的3個輸出引腳能同時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(jié)能方式，可以有效降低系統(tǒng)的功耗．
Arl2138的內(nèi)部功能框圖如圖1所示．
其特點如下：
(1)同屏顯示于PC/TV，即插即用，I2C控制，無需驅動程序：
(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，支持圖像畫面凍結、放大和移動。
2．2 視頻轉換器硬件系統(tǒng)
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(tǒng)框圖如圖2所示。
機載電源為27V，為確保系統(tǒng)的兼容性，采用Vieor專用電源模塊實現(xiàn)機載電源到5V純凈系統(tǒng)電源的轉換，為系統(tǒng)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(tǒng)前端，經(jīng)過處理(整形等)輸入AIT2138內(nèi)。AIT2138根據(jù)輸入VGA信號的刷新頻率。對一幀VGA逐行掃描視頻信號進行A／D采樣，經(jīng)過緩沖、箝位．緩存在外部的SDRAM中，經(jīng)過奇偶場重組和場內(nèi)的數(shù)據(jù)插值處理，然后經(jīng)過D／A處理，在輸出端轉換為模擬視頻信號。
系統(tǒng)的控制模塊由AT89C51來實現(xiàn)．采用通用I／O模擬FC總線，完成AIT2138上電初始化和內(nèi)部寄存器設定。
2．3 系統(tǒng)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Arl"2138的3個8 bitA/D轉換器來對R、G、B信號的每一個通道按照48MHz的采樣率進行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(shù)字視頻處理是利用YUV色彩分量來進行的，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每個分量輸出長度為8 bit，總的輸出信號在數(shù)據(jù)總線上以24 bit工作。在實驗中發(fā)現(xiàn)：AIT2138內(nèi)部的5線抗閃爍有限脈沖響應數(shù)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(nèi)部像素時鐘。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鐘。
2．3．3 數(shù)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(shù)字視頻數(shù)據(jù)．然后進行編碼處理。由于輸入的信號分亮度和色度兩種信號分量，色度信號通過復合數(shù)字副載波調(diào)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2個10 bit D／A轉換器轉換為模擬合成視頻信號，再通過第三個通道的10 bit轉換器輸出，必須注意調(diào)整AIT2138格式控制腳，選擇不同的時鐘參數(shù)．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(tǒng)軟件設計
3．1 I2C協(xié)議實現(xiàn)
I2C總線是一種簡單、雙向二線制同步串行總線．它具備多主機系統(tǒng)所需的包括總線裁決和高低速設備同步功能的高性能串行總線。I2C總線上的器件之間通過串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL相連接．傳送信息。
本系統(tǒng)中用AT89C51的P4口的I／0引腳1和2分別模擬12C總線的SCL和SDA引腳。AT89C51作為主控器在總線上發(fā)送命令．AIT2138作為接收器接收總線上的命令。作為總線裁決的重要信息．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的寫流程相對簡單．不需要在寫入器件地址后進行讀寫轉換．也就是上面時序中強制加入的第二個Start Condition(啟動條件)。需要注意的是在I2C總線上每傳輸一位數(shù)據(jù)都有一個時鐘脈沖相對應。這里的時鐘脈沖不像一般的時鐘必須是周期性的，它的時鐘間隔可以不同?？偩€備用時(即“非忙”狀態(tài))，SDA和SCL必須保持高電平，關閉I2C總線時才使SCL箝位在低電平。只有當總線處于“非忙”狀態(tài)時，數(shù)據(jù)傳輸才能被初始化。在數(shù)據(jù)傳輸期間．只要時鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線都必須保持穩(wěn)定．只有在時鐘線為低電平時才允許數(shù)據(jù)線上的電平改變。在時鐘線保持高電平期間，數(shù)據(jù)線上的下降沿為啟動信號，上升沿為停止信號，啟動和停止信號都由主機產(chǎn)生。AIT2138容易監(jiān)測這些信號。
3．2 系統(tǒng)軟件流程
軟件設計是該系統(tǒng)設計中的一個難點，在系統(tǒng)第一版設計中．采用了AIT2138自動檢測輸入端的VGA視頻信號對行、場同步頻率進行設定，同步內(nèi)部視頻A／D轉換和外部視頻緩存內(nèi)部的分場、視頻轉換過程。在使用過程中，發(fā)現(xiàn)機載多功能顯示器上圖像抖動．而且顯示圖像位置相對多功能顯示器的視場有一定偏移，嚴重影響了視頻效果。
研究發(fā)現(xiàn)．問題出在AIT2138的自適應調(diào)整功能上．其內(nèi)部對VGA信號的行、場同步信號規(guī)定了幾個擋位．以場同步為例，分為63 Hz一69 Hz，69 Hz一73Hz．73 Hz一79Hz，79Hz～85Hz4個擋位，由于其內(nèi)部自動監(jiān)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。后端視頻視場的偏移與AIT2138內(nèi)部的．HPR和VPR有關。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行有無行同步信號的檢測。若有，則繼續(xù)檢測有無場同步信號．若無則判斷為5線制視頻信號，輸入5線制視頻信號時。信號的行、場同步信號直接接人AIT2138。然后通過設定AT89C2051內(nèi)的2個16位定時器取值來設置行、場頻率計數(shù)的時間閾值。在規(guī)定的時間間隔內(nèi)對接人AT89C2051的2個I／O引腳的行、場同步信號線上出現(xiàn)的脈沖進行計數(shù)．通過計算脈沖個數(shù)與時間間隔的比值可得到確切的行、場頻率。在得到行、場頻率后，對AIT12138轉換過程中要處理的5線制視頻信號的具體參數(shù)進行優(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FC接口對AT12138進行編程控制。
4 系統(tǒng)抗干擾設計
在設計過程中．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；為了保證各個組件地線的接線端之間能長期、可靠地連接．采用了鍍錫的銅接線片，同時，將接線片用螺釘固定在機座上，保證長期接地良好，并對整個組件進行防潮處理：按鍵面板通過銅質(zhì)導線與機殼接觸良好．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(shù)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
這種VGA／TV轉換器的特點是對采用逐行掃描方式微機輸出的視頻信號進行轉換．并且可以得到廣播電視級的PAL制式電視視頻信號。經(jīng)過在某型戰(zhàn)機上試飛，獲得效果很好的PAL制式標準電視視頻信號，具有較高的應用價值。
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