模拟视频转换接口器件及应用设计 - 音频/视频/显示 - 电子

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<strong>1 概述</strong>

在视频显示开发中，经常会遇到如何将不同格式、制式的视频信号转换后，在各类显示器上进行显示的问题；尤其对于模拟视频信号的处理，很多人会感到束手无策。视频信号中不仅包含图像信号，还包括行同步、行消隐、帧同步及帧消隐等信号。本方案主要采用集成电路设计，外围模拟器件少，全部控制均可通过软件实施；不需要初始化和等待时间，适用于板卡等多媒体应用场合。系统框图如图1，主要包括三个部分：一是视频解码部分，目的是将复合视频、YUV分量或S端子等模拟视频信号转换成视频转换器可以使用的格式；二是视频转换器AL251，直接输出模拟 RGB、数字RGB或数字YUV视频信号；三是FPD（Flat Panel Display Link）链路传输部分，主要目的是实现远距离（最远10m）数字RGB视频显示（数字RGB视频信号频率太高，无法实现远距离传输）。另外，TechWell公司的TW8800可单片实现D/A转换、隔行转逐行以及OSD等功能。


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<strong>2 解码器</strong>

2.1 解码器选型

TV解码器可以选用Philips公司的SAA7110/7111A/7112、 Samsung公司的KS0127（S5D0127X01）、ITT公司的VPC3211B、Micronas的VPX3226E或TechWell的 TW9903等待。它们均可通过I2C总线接口控制，自动识别输入模拟视频信号格式，然后解码输出24位RGB或16位YUV数字信号和Hsync、 Vsync、HAV(HREF)控制信号及采样时钟，解码后的信号可以直接送入视频转换器AL251中。根据AVERLogic公司发布的技术资料，Philips公司的解码效率最差；但是KS0127除了可以支持其它处理器所具有的NTSC/PAL制自动检测、CCIR601采样率以外，还可支持模拟平方像素采样和Clcsed Caption（CC字幕）。等功能，且价格便宜，温度适应范围广（-20～70℃）。对于指标要求不高的系统，可选用该芯片。KS0127具有以下特点：

*支持NTSC-M/N/4.43、PAL-M/N/B/G/H/I/D/K/L、SECAM格式自动检测。
*6个模拟输入：3个S端子、6个复位视频或1个3线YUV分量视频。
*1个8位YUV数字视频输入。
*2路亮度和色度梳状滤波器，可编程控制亮度带宽、对比度、色度带宽、色彩及饱和
度。
*在互播（intercast）应用场合中，可在图文电视（VBI）中直接输入数字化的复合视
频基带信号（CVBS）。
*可支持以下输出格式：4:4:4、4:2:2、4:1:1 YUV分量视频格式或24位、16位RGB
格式。
*高质量的水平和垂直向下扫描。
*100脚PQFP封装。

2.2 KS0127功能模块

（1）视频输入

模拟视频前端分为两组，每组均1个模拟自动增益控制（AGC）、1个箝位控制和1个8位的 ADC。复合视频信号输入只施加亮度处理，S端子和模拟YUV输入则包括亮度和色度处理。ADC的数据被反馈到模拟嵌位和增益控制模块后，用于计算恰当的增益和箝位值。该结构避免了模拟前端偏置和增益的不匹配。
图2 AL251原理框图 点击放大


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KS0127可通过EXV双向口接收高质量的CCIR601标准的8位YUV数字视频信号，可选用信号内部时或外部定时。该定时信号也可被KS0127产生。像素时钟和同步定时可以单独选择为内部产生或是外部产生。AGC值和方式可通过寄存器来设置。

（2）输入时钟

当配置为模拟输入时，KS0127需要跟踪输入视频并产生一个取样时钟，用于输入视频行同步。可选用24.576MHz或26.8MHz外部基准时钟用于视频跟踪。该基准时钟可通过使用晶振或是TTL时钟源与XTALI和XTALO相接得到。如果是CCIR601，则选用24.576MHz；如果平方像素或双模式，则使用26.8MHz时钟。联样时钟可通过行速率乘以N得到，其中N由场频（50Hz或60Hz）和取样率（CCIR601或平方像素）决定，场频可被自动检测。KS0127除了可以提供像素时钟外，还可以输出各种有关指示行、场、帧的定时信号。另外，它还可以作为视频定时发生器，无需视频输入就可产生所有的视频定时信息。

HS1和HS2是两个水平定时信号，可编程设置它们的起始和停止位置；HAV用于水平视频信号剪切，该信号的极性、启停位置及水平方向的首末像素位置均可编程；VS用于确定垂直方向上视频信号的首行，通过设置，其跳变沿可对应输入视频锯齿脉冲或视频行的起始或中间位置。

（3）数字视频输出

可输出4:2:2、4:1:1、4:4:4 YUV分量视频和RGB565、RGB888视频格式。所有8位输出格式用CK2像素时钟。首像素对应HAV信号的第一个跳变沿。部分格式对应关系见表1。

<strong>表1 KS0127输出对应关系</strong>
         
          类 型C0C1C2C3C4C5C6C7Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E0E1E2E3E4E5E6E7YUV444Cb0～Cb7Y0～Y7Cr0～Cr7RGB565B0B1B2B3B4G0G1G2G3G4G5R0R1R2R3R4　　　　　　　　RGB888B0B1B2B3B4B5B6B7G0G1G2G3G4G5G6G7R0R1R2R3R4R5R6R7RGB888B3B4B5B6B7G2G3G4G5G6G7R3R4R5R6R7B0B1B2G0G1R0R1R2

（4）寄存器

KS0127共有256个寄存器：00H是状态寄存器，报告当前检测到的色彩格式、场频及芯片版本等信息；01H～04H是控制寄存器，设置模拟输入通道、AGC模式、时钟输入及像素取样率等；05H～06H是有关HAV控制的寄存器；07H～0AH是有关HS1和HS2控制的寄存器；其余主要操作场可通过前48个寄存器得以控制。

<strong>3 视频转换器AL251</strong>

AL251是AVERLogic公司生产的一款功能强大的显示转换控制芯片，主要用于 LCD VGA显示或视频编程应用；能够接收隔行NTSC或PAL、ITURBT601（CCIR601）或平方像素、YUV422或RGB565数字信号，将其转换成普通PC显示器可以接收的模拟RGB格式视频信号；可以输出YUV422或RGB565格式的逐行数字信号，用于在VGA LCD上显示。AL251有多种控制功能，可由微处理器通过I2C接口实现诸如识别输入精度、调整屏幕位置、过滤视频噪声、OSD（在屏显示）、视频 LUT（LookUp Table）及POWERDOWN等功能；可不需软件控制自动初始化。由于LA251具有AVERLogic特有的数字信号处理技术，处理过的图像更加平滑并少有闪烁和锯齿边沿。该芯片供电电压为3.3V或5V，采用80脚QFP封装形式。

AL251原理框图见图2。

3.1 输入/输出数据格式

AL251可输入/输出两种数据格式：YUV422或RGB565。输入视频格式由引脚 INTYPE决定（1为YUV422；0为RGB565），输入接口见表2；输出视频格式由控制寄存器#08H<7>选择（1为 YUV422；0为RGB565），输出接口见表3。AL251的精度依靠之前的视频解码器，不需要软件控制，高支持1024×768。其VCLK由解码器提供。

<strong>表2 AL251输入接口</strong>
      类型V15V14V13V12V11V10V9V8V7V6V5V4V3V2V1V0RGB888→565R7R6R5R4R3G7G6G5G4G3G2B7B6B5B4B3YUV 422Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0U7
    V7U6
    V6U5
    V5U4
    V4U3
    V3U2
    V2U1
    V1U0
    V0
<strong>表3 AL251输出接口</strong>
      类型DO7DO6DO5DO4DO3DO2DO1DO0DO15DO14DO13DO12DO11DO10DO9DO8RGB565→888R7Y7R5R4R3G7G6G5G4G3G2B7B6B5B4B3YUV 422Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0U7
    V7U6
    V6U5
    V5U4
    V4U3
    V3U2
    V2U1
    V1U0
    V0
3.2 在屏显示

AL251提供两个通道支持在屏显示（OSD）功能，以实现在原输出上叠加控制菜单、文本或标题以及产生诸如透明、不透明、底片、背景及网格等特殊效果。内通道实现内置OSD位图，外通道控制两个层叠引脚（OVLCTRL1）和 OVLCTRL0），用于在屏显示层叠和生成一些特殊的效果。无论是内通道还是外通道，OSD只能用于模拟视频和RGB565方式下输出，YUV422方式下不支持。

3.3 边界/边界颜色

在模拟输出时，AL251可能显示视频信号源中的所有像素，这样可以显示比普通显示器更大的区域。这点对于DVD数字视频源有利的，但是对于一些类似VCR的视频源，则会出现边界不齐的效果。为此，AL251通过裁剪视频源进行边界控制。裁剪后的边界颜色（24位）可以通过寄存器设置。

3.4 寄存器

AL251共设有42个内部控制寄存器。其中00H～04H是配置状态寄存器，用于显示公司ID（46H）、版本号、芯片序列号以及设置芯片的工作状态（视频信号的输入类型和格式）；08H、09H是同步控制和状态寄存器，用于设置各种同步信号的方式和极性，报告当前各类同步信号的状态；0CH～0EH是边界颜色寄存器，用于设置边界颜色的红、绿、蓝分量值；10H～13H是LUTOSD寄存器；14H～1DH是层叠控制寄存器，用于设置层叠的效果和颜色。

图3 硬件电路示意图 点击放大


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<strong>4 FPD链路</strong>

LCD和AL251之间采用FPD链路连接。该链路可采用National半导体公司的 LVDS（Low Voltage Differential Signaling）DS90C363/DS90CF364传输套片，最远传输距离可达10m。该套片为18位FPD链路，工作电压3.3V，48引脚 TSSOP封装。其中DS90C363是发送器，可将18位RGB数据和3位LCD定时、控制数据（FPLINE/GHS、FPFRAME/GVS、 DRDY/ENAB/GHREF）在一个时钟周期内转换成3组VLDS。在64MHz发送时钟频率下，每个LVDS通道的发送速率高达455Mbps，数据吞吐量为170MB/s。DS90CF364为接收器，可将接收到的LVDS数据流再转换成TTL/CMOS数据，以便多路数字信号的高速远距离传输。该套片支持VGA、SVGA、XGA或更高的分辨率。在使用时，需改变原先电路连接关系。


<strong>5 系统硬件连接和软件实现</strong>

图3是该转换系统的硬件电路示意图。本系统采用CirrusLogic公司的EP7312嵌入式处理进行控制，液晶显示屏选用SHARP公司的LQ64D341。

图3中，PAL/NTSC/SECAM三种制式视频信号可通过KS0127的AC0 /AY0/AC1/AY1/AC2/AY2引脚输入；EXV0～EXV7是双向口，这里可作为8位YUV数字分量视频输入口；26.8MHz的基准时钟信号通过XTALI输入。AL251的VCLK、VIDHS、VIDVS及HREF是输入视频信号的行场同步和采样时钟；INTYPE是输入视频格式选择（0/1-RGB565/YUV422）；SQUARE是平方像素和CCIR601选择设置（1/0）；OVLCTRL0/1是层叠控制，00是无层叠；GHS、GVS是输出视频信号的行场同步，模数RGB接口共用这两个引脚；KS0127输出的CK信号直接与显示屏的GCLK引脚相接，GHREF是 LCD屏的显示使能，VREF用于模拟RGB接口。由于AL251的数据输出口是16位的，而LQ64D341是18位的，这里将R0和B0接地，其余引脚对应关系不变。SDA和SCL是I2C控制接口。KS0127的读/写地址是C9H/C8H，AL251的读/写地址是59H/58H。

<strong>参考文献</strong>

1. AL251 Data Sheet 1999
2. KS0127 Data Sheet 2000
3. 李维諟.郭强 液晶显示与应用技术 2000

作 者：解放军信息工程大学 胡君杰 林东贵 胡冰
来 源：单片机与嵌入式系统应用 2003（7）