一種非標(biāo)準(zhǔn)VGA－TV轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了以AL128芯片為核心設(shè)計(jì)的一種將非標(biāo)準(zhǔn)視頻顯示模式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電視視頻制式的視頻模式轉(zhuǎn)換器。對(duì)該視頻模式轉(zhuǎn)換器的工作原理、硬件構(gòu)成及設(shè)計(jì)思路等給以了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：AL128A－TV數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換芯片 標(biāo)準(zhǔn)電視制式 非標(biāo)準(zhǔn)VGM顯示模式 標(biāo)準(zhǔn)VGA顯示模式 分光光度儀 視頻采集卡 AL422視頻存儲(chǔ)器 AV9173視頻鎖相環(huán)芯片

由于歷史原因，在標(biāo)準(zhǔn)VGA圖形顯示模式為廣大生產(chǎn)廠家接受以前，許多儀器設(shè)備制造商都為自己的微機(jī)控制設(shè)備定制了專用的顯示輸出設(shè)備，特別是一些國外的醫(yī)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(shè)備與其控制主機(jī)相連的方式是多種多樣的，其中常見的是R、G、B三色信號(hào)加下行同步和場同步信號(hào)的視頻輸出方式，但輸出的行頻、場頻、消隱及同步脈沖的寬度，以及R、G、B信號(hào)的輸出電平值常常不同于標(biāo)準(zhǔn)的VGA格式。這些特別的顯示輸出設(shè)備或相關(guān)的設(shè)備一旦損壞，一般很難找到替代品，給用戶造成很大的損失。例如，我校測試中心的一臺(tái)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分析結(jié)果，現(xiàn)在只能用顯示屏上的圖形上分析，給分析人員帶來很大麻煩，更主要的問題在于顯示的結(jié)果無法永久保留不來（該儀器無存儲(chǔ)外設(shè)）。解決這一問題的最快捷的方法就是將設(shè)備的輸出的非標(biāo)準(zhǔn)VGA信號(hào)轉(zhuǎn)換顧標(biāo)準(zhǔn)的電視頻制式信號(hào)，而后用視頻采集卡將圖像采集下來。這樣使采集卡下來的數(shù)據(jù)既可以保存在硬盤上，又可以打印出來存檔，非常方便。所以，解決問題的關(guān)鍵就在于選擇一個(gè)合適的視頻轉(zhuǎn)換芯片。目前市售的VGA－TV轉(zhuǎn)換器大都要求標(biāo)準(zhǔn)VGA轉(zhuǎn)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)，無法將非標(biāo)準(zhǔn)的VGA模式下多種多樣的行頻和場頻轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電視制式的行頻和場頻，如AD722視頻制式轉(zhuǎn)換芯片。因此，我們選擇格磊（Averlogic）公司生產(chǎn)的VGA－TV數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換芯片－AL128，自動(dòng)檢測輸入信號(hào)的行、場頻率值，然后自動(dòng)進(jìn)行行、場頻率調(diào)整，使最終輸出的視頻信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)的電視制式。

1 AL128器件工作原理及性能特點(diǎn)簡介

AL128芯片內(nèi)主要包括數(shù)字視頻處理器、數(shù)字電視編碼器、視頻緩存區(qū)、3路8bit模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、3路9bit數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、時(shí)序信號(hào)發(fā)生器、外存儲(chǔ)器管理單 、以及各類寄存器和芯片接口電路等。其內(nèi)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(hào)輸入接口，在模擬R、G、B信號(hào)送到數(shù)字視頻處理器之前，需經(jīng)過8bit模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，將模擬R、G、信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字R、G、B信號(hào)。而后將其送到數(shù)字視頻處理器中，并通過行存儲(chǔ)器和場存儲(chǔ)器緩存，完成掃描方式變換、色度信號(hào)變換、行場頻率調(diào)整以及數(shù)字濾波等數(shù)字信號(hào)處理工作。經(jīng)過數(shù)字信號(hào)處理的視頻數(shù)據(jù)被送到視頻編碼器，對(duì)亮度信號(hào)、色差信號(hào)以及色副載波信號(hào)等進(jìn)行編碼，使其輸出變?yōu)榉蠌V播電視標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻數(shù)字信號(hào)或S－Video和RGB數(shù)字視頻信號(hào)。最后經(jīng)過9bit的數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)變成標(biāo)準(zhǔn)的模擬電視信號(hào)。圖中的時(shí)序發(fā)生器主要是根據(jù)輸入的行同步信號(hào)（GHSYNC）和場同步信與（GVSYNC）產(chǎn)生的AL128讀寫時(shí)序、控制時(shí)序、視頻輸出所需的各種信號(hào)及副載波信號(hào)等。除此之外，AL128芯片還提供I2C接口電路，使設(shè)計(jì)者可以使用外部微控制器去控制芯片內(nèi)部32個(gè)寄存器，以滿足用戶的特殊要求。例如用戶可以根據(jù)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(dāng)然， 為了節(jié)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電視制式（NTSC／PAL）；

（2） 吭度集成化設(shè)計(jì)，內(nèi)嵌NTSC／PAL編碼器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、SRAN；

（3） 無需軟件或微控制器即要實(shí)現(xiàn)即插即用；

（4） 支持上至1024×768（75Hz）VGA顯示模式；

（5） 自動(dòng)識(shí)別和轉(zhuǎn)換50－100Hz范圍內(nèi)的場頻；

（6） 只需4個(gè)按鉗就可成畫面凍結(jié)、縮放、移動(dòng)、亮度對(duì)比度控制等功能，還有產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的彩條信號(hào)；

（7） 提供I2C接口電路，使用戶可對(duì)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關(guān)。

2 轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成

圖2給出了使用AL128設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用系統(tǒng)圖。轉(zhuǎn)換器由兩部分構(gòu)成，第一部分是電平轉(zhuǎn)換電路，用于將分光光度儀輸出的行、場同步信號(hào)以及R、G、B信號(hào)（TTL電平）轉(zhuǎn)換成符合VGA電平標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)；第二部分是以AL128為核心和VGA－TV轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(gòu)成，像素點(diǎn)輸出的時(shí)鐘頻率為27.648MHz，輸出電平為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平。而標(biāo)準(zhǔn)VGA的R、G、B輸出電平的峰－峰值為0.7V，這就要求對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電平變換。為了便于說明，現(xiàn)將幾種標(biāo)準(zhǔn)VGA模式與標(biāo)準(zhǔn)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、場步度相近，而且場頻都落在AL128能自動(dòng)支持的范圍內(nèi)（50－100MHz）,而行頻都落在鎖相芯片AV9137捕捉帶范圍仙（25KHz－1MHz）。采用數(shù)字視頻技術(shù)的AL128，可以準(zhǔn)確地提取輸入信號(hào)的行、場頻率，并控制外部場存儲(chǔ)器的讀寫時(shí)序，以準(zhǔn)確輸出信號(hào)的行、場頻率符合NTST／PAL制的行、場頻率標(biāo)準(zhǔn)，并完成以掃描方式的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換需要由外加電路實(shí)現(xiàn)，具體的R、G、B電平轉(zhuǎn)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(duì)對(duì)分光光度儀造成破壞。

2.2 視頻轉(zhuǎn)換電路

視頻轉(zhuǎn)換電路主要硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，該電路是將經(jīng)電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的非標(biāo)準(zhǔn)VGA視頻格式進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換處理，從而得到標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào)。其視頻輸出方式可以有三種，分別為復(fù)合視頻輸出、S端子輸出、RGB輸出。這種輸出是復(fù)用AL128的三個(gè)引腳，可選擇復(fù)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(hào)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(nèi)部分頻器分頻得到）。這兩路信與經(jīng)過芯片內(nèi)部的相比較器、環(huán)路濾波器，進(jìn)而控制芯片內(nèi)部的壓控振蕩器，就可產(chǎn)生AL128場存儲(chǔ)器寫信號(hào)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(nèi)，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(xì)輸入頻率和輸出頻率的關(guān)系可參考其數(shù)據(jù)手冊(cè)。

AL128外掛的兩片F(xiàn)IFO場存儲(chǔ)器采用Averlogic公司提供的AL128視頻存儲(chǔ)器。一共可在存儲(chǔ)兩場的數(shù)據(jù)，這兩片外掛存儲(chǔ)器的寫選通分別為AL128的MWENL和MWENH來控制，并且需將AL128的MENCONFI置，MEMCONFO置1。每片外掛存儲(chǔ)器都含有38K×8bit的DRAM，該芯片內(nèi)部采用兩套各自獨(dú)立的讀／寫時(shí)鐘，讀／寫周期僅為20ns，在50MHz視頻像素0點(diǎn)時(shí)鐘下足以支持 819×480byte的圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。A128存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)寫時(shí)鐘／WCK、寫復(fù)位／WRST、寫允許／WE控制視頻像素點(diǎn)的寫入，一幀圖像存完后內(nèi)部寫地址指針復(fù)位，又開始順序?qū)懭霐?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是AL128通過MREN來控制存儲(chǔ)器的／RE引腳。存儲(chǔ)器與AL128的接圖如圖5所示，其詳細(xì)的讀／寫時(shí)序可參閱AL422的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

3 分析與討論

將轉(zhuǎn)換器輸出的復(fù)合視頻信呈直接接入視頻監(jiān)視器的VIDEO端口，用以觀察轉(zhuǎn)換器的視頻轉(zhuǎn)換效果。我們發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器輸出的圖像很穩(wěn)定，只是顯示區(qū)域發(fā)生一點(diǎn)變化。介這并不要緊，因?yàn)槲覀兯杉娘@示曲線均在顯示區(qū)域內(nèi)。造成顯示區(qū)域發(fā)生變化的原因是由于我們使用的是AL128內(nèi)部硬件缺省值，而這些缺省值是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)VGA顯示模式制定的。它的行消隱脈沖的寬度、場消隱脈沖的寬度、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(hào)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法完全一致。如果將該轉(zhuǎn)換器用作普通非標(biāo)準(zhǔn)VGA－TV轉(zhuǎn)換器使用，為了達(dá)到比較好的視頻轉(zhuǎn)換效果，要采用外接微控制器（如下8051）對(duì)A128的寄存器進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整寄存器設(shè)置，特別是改變視頻像素點(diǎn)時(shí)鐘（Reg#28）、每行截取像素?cái)?shù)（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）、每場截取的行數(shù)（Reg#24）、每場截取的起始位置（Reg#22）、每場可顯示的行數(shù)（Reg#25）這8個(gè)起決定作用的參數(shù)，就可達(dá)到廣播量級(jí)的電視視頻信呈的輸出標(biāo)準(zhǔn)。