摘? 要： 介紹了以AL128芯片為核心設(shè)計的一種將非標準視頻顯示模式轉(zhuǎn)換為標準電視視頻制式的視頻模式轉(zhuǎn)換器。對該視頻模式轉(zhuǎn)換器的工作原理、硬件構(gòu)成及設(shè)計思路等給以了詳細介紹。
關(guān)鍵詞： AL128VGA-TV數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換芯片? 標準電視制式? 非標準VGA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
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由于歷史原因，在標準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)備與其控制主機相連的方式是多種多樣的，其中最常見的是R、G、B三色信號加上行同步和場同步信號的視頻輸出方式，但輸出的行頻、場頻、消隱及同步脈沖的寬度，以及R、G、B信號的輸出電平值常常不同于標準的VGA格式。這些特制的顯示輸出設(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日本產(chǎn)的紅外分光光度儀由于用于打印的熱敏頭損壞，使得原先用打印輸出的圖形來分析結(jié)果，現(xiàn)在只能改用顯示屏上的圖形來分析，給分析人員帶來很大麻煩，更主要的問題在于顯示的結(jié)果無法永久保留下來(該儀器無存儲外設(shè))。解決這一問題的最快捷的方法就是將設(shè)備輸出的非標準VGA信號轉(zhuǎn)換成標準的電視制式信號，而后用視頻采集卡將圖像采集下來。這樣使采集下來的數(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)換器大都要求標準VGA模式輸入，而且其核心處理芯片一般采用模擬視頻技術(shù)，無法將非標準的VGA模式下多種多樣的行頻和場頻轉(zhuǎn)換成標準電視制式的行頻和場頻，如AD722視頻轉(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，自動檢測輸入信號的行、場頻率值，然后自動進行行、場頻率調(diào)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、時序信號發(fā)生器、外存儲器管理單元、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所示。
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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(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、B信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字R、G、B信號。而后將其送到數(shù)字視頻處理器中，并通過行存儲器和場存儲器緩存，完成掃描方式變換、色度信號變換、行場頻率調(diào)整以及數(shù)字濾波等數(shù)字信號處理工作。經(jīng)過數(shù)字信號處理的視頻數(shù)據(jù)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行編碼，使其輸出變?yōu)榉蠌V播電視標準的復合視頻數(shù)字信號或S-Video和RGB數(shù)字視頻信號。最后經(jīng)過9bit的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號變成標準的模擬電視信號。圖中的時序發(fā)生器主要是根據(jù)輸入的行同步信號(GHSYNC)和場同步信號(GVSYNC)產(chǎn)生AL128讀寫時序、控制時序、視頻輸出所需的各種同步信號及色副載波信號等。除此之外，AL128芯片還提供I2C接口電路，使設(shè)計者可以使用外部微控制器去控制芯片內(nèi)部32個寄存器，以滿足用戶的特殊要求。例如用戶可以根據(jù)實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(jié)約成本，一般情況下也可以不要外部微控制器。
AL128具有以下性能特點：
(1)能將VGA視頻顯示模式轉(zhuǎn)換為標準電視制式(NTSC/PAL)；
(2)高度集成化設(shè)計，內(nèi)嵌NTSC/PAL編碼器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、SRAM；
(3)無需軟件或微控制器即可實現(xiàn)即插即用；
(4)支持上至1024×768(75Hz)VGA顯示模式；
(5)自動識別和轉(zhuǎn)換50～100Hz范圍內(nèi)的場頻；
(6)只需4個按鈕就可完成畫面凍結(jié)、縮放、移動、亮度對比度控制等功能，還能產(chǎn)生標準的彩條信號；
(7)提供I2C接口電路，使用戶可對芯片進行編程控制；
(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、場同步信號以及R、G、B信號(TTL電平)轉(zhuǎn)換成符合VGA電平標準的視頻信號；第二部分是以AL128為核心的VGA-TV轉(zhuǎn)換電路，用以輸出符合廣播電視標準的視頻信號。系統(tǒng)框圖中自行設(shè)計的視頻采集卡采用BT848單片視頻采集芯片。
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2.1 電平轉(zhuǎn)換電路
分光光度儀視頻輸出接口電路由兩片ALS240反向器構(gòu)成，像素點輸出的時鐘頻率為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行電平變換。為了便于說明，現(xiàn)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進行比較，如表1所示。
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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、場頻率相近，而且場頻都落在AL128能自動支持的范圍內(nèi)(50～100Hz)，而行頻都落在鎖相環(huán)芯片AV9173捕捉帶范圍內(nèi)(25kHz～1MHz)。采用數(shù)字視頻技術(shù)的AL128，可以準確地提取輸入信號的行、場頻率，并控制外部場存儲器的讀寫時序，以確保輸出信號的行、場頻率符合NTST/PAL制的行、場頻率標準，并完成掃描方式的轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換需要由外加電路實現(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)換后的非標準VGA視頻格式進行自動轉(zhuǎn)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。這三種輸出是復用AL128的三個引腳，可選擇復合視頻輸出或S端子輸出接到視頻采集卡上。
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圖4中AV9173是ICS公司生產(chǎn)的視頻鎖相環(huán)芯片，其輸入的兩個信號是：作為參考的分光光度儀的行同步信號和由AL128產(chǎn)生的GHSDIV信號(由像素點時鐘GCLK經(jīng)AL128內(nèi)部分頻器分頻得到)。這兩路信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的相位比較器、環(huán)路濾波器，進而控制芯片內(nèi)部的壓控振振蕩器，就可產(chǎn)生AL128場存儲器寫信號所需的視頻像素點時鐘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視頻像素點時鐘。AV9173的詳細輸入頻率和輸出頻率的關(guān)系可參考其數(shù)據(jù)手冊。
AL128外掛的兩片F(xiàn)IFO場存儲器采用Averlogic公司提供的AL422視頻存儲器。一共可存儲兩場的數(shù)據(jù)，這兩片外掛存儲器的寫選通分別由AL128的MWENL和MWENH來控制，并且需將AL128的MEMCONF1置0，MEMCONF0置1。每片外掛存儲器都含有384K×8bit的DRAM，該芯片內(nèi)部采用兩套各自獨立的讀/寫時鐘，讀/寫周期僅為20ns，在50MHz視頻像素點時鐘下足以支持819×480byte的圖像數(shù)據(jù)的存儲。AL128通過存儲器芯片的數(shù)據(jù)寫時鐘/WCK、寫復位/WRST、寫允許/WE控制視頻像素點的寫入，一幀圖像存完后內(nèi)部寫地址指針復位，又開始順序?qū)懭霐?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的讀出也是一樣，只是讀時鐘的頻率是個固定值(NTST:14.318MHz；PAL:17.734MHz)，而且具體讀出的數(shù)據(jù)是要由AL128通過MREN來控制存儲器的/RE引腳。存儲器與AL128的連接圖如圖5所示，其詳細的讀/寫時序可參閱AL422的數(shù)據(jù)手冊。
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3 分析與討論
將轉(zhuǎn)換器輸出的復合視頻信號直接接入視頻監(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)生一點變化。但這并不要緊，因為我們所要采集的顯示曲線均在顯示區(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)標準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有差別，這就必然造成AL128截取的像素位置與分光光度儀實際顯示的像素位置無法完全一致。如果將該轉(zhuǎn)換器用作普通非標準VGA-TV轉(zhuǎn)換器使用，為了達到比較好的視頻轉(zhuǎn)換效果，需要采用外接微控制器(如8051)對AL128內(nèi)的寄存器進行控制。根據(jù)實際情況調(diào)整寄存器設(shè)置，特別是改變視頻像素點時鐘(Reg #28)、每行截取的像素數(shù)(Reg #23)、每行截取的起始位置(Reg #21)、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個起決定作用的參數(shù)，就可以達到廣播質(zhì)量級的電視視頻信號的輸出標準。
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參考文獻
1 AL128 Data Sheets.Averlogic，1999.4
2 AL422 Data Sheets.Averlogic，1999.9
3 AV9173-01 Data Sheets.ICS，1999.9
4 劉 兵.單片VGA-TV轉(zhuǎn)換器AD722.現(xiàn)代通信，1997 (5)
5 金向東.標準VGA顯示在大屏幕彩電上的實現(xiàn).電視技術(shù)，1998(6)