摘要：視頻監(jiān)控顯示器在工業(yè)、生活及軍事領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種可在TFT液晶屏上顯示的視頻監(jiān)控顯示器，以內(nèi)嵌8051單片機(jī)的TFT液晶縮放引擎芯片為控制中心，以視頻轉(zhuǎn)換芯片TVP5150為硬件核心。電路將模擬視頻信號編碼為ITU-R BT．656類型的數(shù)據(jù)流。單片機(jī)管理整個(gè)工作流程，縮放引擎芯片進(jìn)行圖像處理，把數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低電壓差分信號，最終在液晶屏上獲得監(jiān)控圖像。該顯示器結(jié)構(gòu)輕薄，電路簡單，性能可靠，圖像顯示清晰穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：TVP5150；ITU-R BT．656；圖形縮放引擎；低電壓差分信號
視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前在軍用車載偵察、日常生產(chǎn)、生活中應(yīng)用十分廣泛。隨著數(shù)字化生活的進(jìn)一步提高，當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由模擬化走向數(shù)字化?，F(xiàn)代常見的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)通常使用視頻解碼芯片將模擬視頻信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，應(yīng)用較多的有philips的SAA711 1、SAA7114，TI的TVPS022、TVP5150等。TI公司的視頻解碼芯片TVP5150以其卓越的性能和高性價(jià)比廣泛地得到應(yīng)用，它能將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，使用數(shù)字化接口的LCD顯示器能獲得比傳統(tǒng)CRT顯示器更清晰、穩(wěn)定的畫面。
視頻轉(zhuǎn)換處理電路是LCD監(jiān)視器里最重要的組成部分，主要由視頻轉(zhuǎn)換芯片和液晶控制芯片(SCALER)組成。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
1．1 原理
本系統(tǒng)主要由視頻轉(zhuǎn)換模塊、8051內(nèi)核單片機(jī)和液晶圖形縮放引擎(SCALER)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。NOVATEK單片機(jī)通過I2C接口控制其余兩部分模塊的工作，TVP5150把復(fù)合視頻轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)8位的ITU-RBI.656格式的數(shù)字信號傳輸?shù)絊CALER，SCALER通過解碼矩陣電路把解調(diào)后的信號轉(zhuǎn)換成三基色RGB信號，最后通過增益／偏移控制、伽馬校正、抖動(dòng)處理和圖形縮放變成LVDS信號輸出到液晶屏，單片機(jī)通過串口連接主機(jī)可以檢測TVP5150和SCALER的工作狀態(tài)。
1．2 ITU-RIBT．656視頻標(biāo)準(zhǔn)
ITU-R BT.601是“演播室數(shù)字電視編碼參數(shù)”標(biāo)準(zhǔn)，而ITU-R BT.656則是ITU-R BT.601附件A中的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。ITU-R BT．656輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數(shù)據(jù)格式，同步信號內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中串行輸出，也可以單獨(dú)引腳與數(shù)據(jù)流并行輸出。圖2所示為完整的一幀數(shù)據(jù)，分奇偶兩場，23～311行是偶數(shù)場數(shù)據(jù)，366～624行是奇數(shù)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)ID為奇偶場指示信號，在場同步信號(VSYNC)下降沿跳變。VBLK為場消隱信號，高電平有效，可以通過設(shè)置TVP5150寄存器來改變其長短，控制有效圖像數(shù)據(jù)輸出，因此在VBLK信號低電平期間對應(yīng)輸出視頻有效數(shù)據(jù)。
每一行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。每行開始的288字節(jié)為行控制信號，開始的4字節(jié)為EAV(有效視頻結(jié)束)信號，緊接著280個(gè)固定填充數(shù)據(jù)，最后4個(gè)字節(jié)是SAV(有效視頻起始)信號。SAV信號和EAV信號有3字節(jié)的前導(dǎo)：FF、FF、00；最后1字節(jié)XY表示該行位于整個(gè)數(shù)據(jù)幀的位置以及如何區(qū)分SAV、EAV信號。
2 TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊
2．1 視頻解碼芯片TVP5150
TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能視頻解碼器，在正常工作時(shí)，它的功耗僅115 mW，并且具有超小封裝(32腳的TQFP)，因此非常適用于便攜、批量大、高質(zhì)量和高性能的視頻產(chǎn)品。它可以接收2路復(fù)合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號。通過單片機(jī)I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，選擇信號AIPLA和AIPIB輸入到內(nèi)部，AGC(自動(dòng)增益控制)使得芯片可以支持最高1．5 Vp-p的信號電壓并使輸入信號達(dá)到ADC的最大量程，9位的ADC按內(nèi)部PLL時(shí)鐘輸出像素?cái)?shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過梳狀濾波器進(jìn)行Y、C分離，再進(jìn)一步分離成U、V信號，最終經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換輸出8位ITU-R BT656信號。
2．2 TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊電路
TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖4所示。
TVP5150僅使用1個(gè)14．318 18 MHz的晶體就支持多種視頻制式，并提供1個(gè)I2C接口來為視頻特性進(jìn)行編程，包括色調(diào)、對比度、飽和度和亮度。數(shù)字和模擬核心輸入電壓為1．8 V，IO口電壓為3．3 V，每一個(gè)電源輸入引腳都要有1個(gè)0．1μF的去耦電容。
根據(jù)芯片要求，兩路輸入信號CH1和CH2通過1個(gè)0．1～1 μF電容輸入到芯片輸入引腳，輸入要進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，防止對輸入信號的反射，電阻R1、R3(R2、R4)的關(guān)系是R1=75-R3，這樣可以根據(jù)實(shí)際輸入電壓進(jìn)行分壓，保證輸入到引腳的電壓在0．75 V以下；YOUT[0：7]輸出8位YUV4：2：2信號或者內(nèi)嵌同步的8位ITU-R BT656信號中。PCIX／SCLK腳時(shí)鐘信號可輸出13．5 MHz和27MHz兩種頻率。
2. 3 TVP5150寄存器配置
完成TVP5150的初始化，要通過I2C總線把參數(shù)寫入寄存器，主要有：選擇視頻輸入通道，當(dāng)輸入為Composite信號時(shí)，可以選擇通道A或者通道B，當(dāng)輸入為S-Video信號時(shí)，通道A輸入Luminance信號，通道B輸入Chrominance信號。輸出格式配置，在本系統(tǒng)中配置為8位ITU-RBT. 656格式的數(shù)據(jù)輸出?？梢园凑誘VP5150規(guī)格書的寄存器初始化表配置。
3 SCALER視頻處理電路
3．1 NOVATEK圈形縮放引擎芯片
輸出的8位YUV4：2：2數(shù)字信號送到臺灣聯(lián)詠公司的SCALER芯片，NOVATEK是一款QFP-128Pin封裝的高集成度高性能的SCALER芯片，工作電壓3．3 V，內(nèi)部核心電壓1．8 V，通過單片機(jī)I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，可以接收雙路模擬RGB、逐行或隔行YUV的ITU-R BT．656、DVI等格式輸入視頻信號，直接輸出LVDS信號，可驅(qū)動(dòng)當(dāng)前大多數(shù)TFT液晶屏。
3．2 SCALER處理電路
SCALER處理電路如圖5所示，整個(gè)電路采用3．3 V供電，核心PLL電路電源是1．8 V。TVP5150和SCALER的接口簡單：SCALER芯片接收TVP-5150轉(zhuǎn)換出的8路YUV信號YOUT[7..0]信號和采樣時(shí)鐘信號SCLK，單片機(jī)對SCALER和TVP5150通過I2C接口進(jìn)行寄存器配置，SCALER通過解碼矩陣電路把解調(diào)后的Y，B-Y，R-Y信號轉(zhuǎn)換成三基色RGB信號，最后經(jīng)過逐行處理，增益／偏置控制、伽馬校正變成LVDS信號，即圖中信號TOM ／P、1、2、CLK輸出到液晶屏。
3．3 SCALER寄存器配置
要完成基本的顯示功能，SCALER要通過單片機(jī)的I2C指令寫入寄存器以完成以下功能：
1)液晶屏參數(shù)選擇：根據(jù)要點(diǎn)亮的液晶屏規(guī)格數(shù)，寫入合適的液晶屏參數(shù)，包括分辨率、行場頻、像素時(shí)鐘、行場同步寬度、行場前后沿寬度等，這些在程序中更改宏定義即可；
2)選擇輸入信號格式及輸入信號通道是YUV0還是YUV1，并打開數(shù)字端口控制，由此配置相應(yīng)寄存器；
3)設(shè)置顯示區(qū)域行場起始、結(jié)束位置，設(shè)置ADC的增益和偏置以及根據(jù)輸入同步設(shè)置ADC_PLL控制；
4)設(shè)置YUV to RGB色彩轉(zhuǎn)換空間轉(zhuǎn)換系數(shù)。
4 單片機(jī)控制電路
單片機(jī)控制電路如圖6所示。單片機(jī)工作在12 MHz頻率下，REFCLKI給SCALER提供參考時(shí)鐘；SCL和SDA是和TVP5150、NOVATEK和24LC16進(jìn)行I2C通訊的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，I2C總線是開漏極電路，必須加上拉電阻，SDA和SCL還用于單片機(jī)的在線編程；RX、TX是和PC通訊的RS232接口；BL-PWM、BL-ON是控制液晶屏逆變器的PWM亮度調(diào)節(jié)端和開關(guān)端；RFCLKI給SCALER提供參考時(shí)鐘；AUTO、POWER、RIGHT、LEFT等是OSD菜單的控制鍵。
單片機(jī)的工作流程如圖7所示。
5 電源設(shè)計(jì)
如果說單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，而電源就是心臟，好的電源是一個(gè)良好系統(tǒng)的最基本要求，本設(shè)計(jì)選用TI的開關(guān)電源TPS5430作為整個(gè)系統(tǒng)的主電源，提供穩(wěn)壓5 V，LM1084-33 V提供給SCALER和TVP5150主工作電源，LM1117-1．8 V給SCALER和TVP5150的模擬和數(shù)字核心提供精準(zhǔn)的1．8 V電源。
6 板卡設(shè)計(jì)難點(diǎn)
本設(shè)計(jì)方案中，SCALER內(nèi)部采樣頻率最高可達(dá)201 MHz，LVDS輸出頻率最高可達(dá)85 MHz，這對信號完整性及電磁兼容性都是極大的挑戰(zhàn)。在視頻處理板卡的PCB設(shè)計(jì)中突出體現(xiàn)以下難點(diǎn)：
1)時(shí)序問題，工作頻率的提高和信號上升／下降時(shí)間的縮短，首先會使設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)序余量縮小甚至出現(xiàn)時(shí)序方面的問題；
2)傳輸線效應(yīng)導(dǎo)致的信號振蕩、過沖和下沖都會對設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障容限、噪聲容限及單調(diào)性造成很大的威脅；
3)信號沿的時(shí)間下降到1 ns后，信號之間的串?dāng)_成為很重要的問題；
4)當(dāng)信號沿的時(shí)間接近0．5 ns時(shí)，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電磁干擾(EMI)也十分關(guān)鍵。
視頻處理板卡PCB的設(shè)計(jì)策略如下所述：
1)數(shù)字電路設(shè)計(jì)
為了獲得更高性能的產(chǎn)品，電路板設(shè)計(jì)按4層板考慮，在元器件布局及布線過程中嚴(yán)格遵守高速電路設(shè)計(jì)原則，為確保系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及整機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)，在PCB布線時(shí)需要特別注意串接電阻降低高速電信號反射的影響及保證同一組數(shù)據(jù)同步到達(dá)。由于信號在頂層、底層與中間層的傳輸阻抗和傳輸速率不一樣，因此應(yīng)盡量將接到同一器件的信號線分布在同一層上，并使導(dǎo)線長度相等。
2)電源設(shè)計(jì)
電源是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)使用足夠多的電源層和地層，對AVDD、DVDD、AGND、DGND分層設(shè)計(jì)，并將模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)接地，這樣可以避免模擬電路與數(shù)字電路相互影響，SCALER數(shù)字部分和模擬部分通過磁珠分開供電以消除干擾。
7 結(jié)束語
在引進(jìn)和消化SCALER縮放引擎技術(shù)的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了這款基于TVP5150的視頻處理板卡。本板卡電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、性能可靠、系統(tǒng)升級方便，在分辨率為800x600的液晶屏上顯示清晰，在程序中通過更改液晶屏?xí)r序參數(shù)可以驅(qū)動(dòng)分辨率最高達(dá)1 600x1 200液晶屏，如果在輸入加上多路切換芯片還可以方便地升級為多路視頻監(jiān)控顯示器，但是由于采用最簡單的ITU-R BT．656編碼，模擬轉(zhuǎn)數(shù)字損失一些細(xì)節(jié)，所以電視線還沒有CRT顯示器細(xì)致，這是下一步研究的重點(diǎn)。