《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種基于FS401的高分辨率視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
一種基于FS401的高分辨率視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第10期
劉媛媛1, 馮宏偉2
1. 無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院,, 江蘇 無(wú)錫 214028; 2. 無(wú)錫祥生醫(yī)療影像有限公司,, 江蘇 無(wú)錫 214028
摘要: 介紹了VGA高分辨率視頻分配設(shè)計(jì)原理和TV視頻轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)原理與總體架構(gòu),。基于FS401視頻處理器和VGA視頻分配技術(shù)的應(yīng)用,,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種高分辨率VGA-TV視頻轉(zhuǎn)換器。在分析視頻格式轉(zhuǎn)換基本原理及FS401芯片功能結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對(duì)視頻轉(zhuǎn)換器的硬,、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),最終開(kāi)發(fā)出視頻轉(zhuǎn)換器電路板并應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中,。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,,實(shí)現(xiàn)了VGA信號(hào)兩路分配和VGA到NTSC/PAL制式電視的轉(zhuǎn)換,適用于多分辨率,、多制式視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng),。
中圖分類(lèi)號(hào): TN948.48
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2011)10-0081-03
Design of high-resolution video converter based on FS401
Liu Yuanyuan1, Feng Hongwei2
1.Wuxi Professional College of Science and Technology, Wuxi 214028, China; 2. Chison Medical Imaging Co., Ltd, Wuxi 214028,China
Abstract: The system theory of VGA high-resolution video distribution and construction of the video conversion for VGA to TV were introduced. Based on FS401 video processor and VGA video distribution technology, designed a high-resolution VGA-TV video converter. On the analysis of the basic principles of video format conversion and functional structure based on the FS401, to design hardware and software of video converter. Eventually developed a video converter board and applied in practical systems. Experimental results show that the converter chip realized the VGA signal two distribution and VGA to NTSC or PAL TV conversion,and is suitable for multi-resolution, multi-format video conversion system.
Key words : VGA-TV; video conversion; FS401; high-resolution; VGA distribution


    隨著數(shù)字視頻技術(shù)的快速發(fā)展,,視頻轉(zhuǎn)換處理技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,。在宣傳演示、教育,、娛樂(lè)游戲,、視頻監(jiān)控、機(jī)載視頻顯示等領(lǐng)域均要求將PC輸出的VGA視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化成普通的標(biāo)準(zhǔn)電視信號(hào),。VGA視頻絕大多數(shù)采用逐行掃描,,而模擬電視信號(hào)則采用隔行掃描技術(shù),且各自的行頻和場(chǎng)頻不相同,,由于工作方式的差別,,從VGA到TV的視頻轉(zhuǎn)換需要完成掃描從逐行到隔行的轉(zhuǎn)換,行頻和場(chǎng)頻的相互匹配,。視頻轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)VGA信號(hào)到電視視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換,,但目前視頻轉(zhuǎn)換器所能支持的最大分辨率一般不超過(guò)1 024×768,因此在使用中受到一定的限制[1-5],。
    本文采用FS401數(shù)字圖像處理器設(shè)計(jì)一種高分辨率多制式的VGA-TV視頻轉(zhuǎn)換器,,使分辨率從640×480到1 600×1 280的計(jì)算機(jī)圖像都能高質(zhì)量地轉(zhuǎn)換為電視視頻圖像[6]。給出視頻轉(zhuǎn)換器硬件系統(tǒng)工作原理和設(shè)計(jì)思路,,將介紹VGA視頻信號(hào)分配成兩個(gè)VGA信號(hào)的高分辨率視頻分配設(shè)計(jì)原理,,單片機(jī)靈活地實(shí)現(xiàn)了I2C總線(xiàn)對(duì)FS401的編程控制。
1 FS401的工作原理及視頻轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)
1.1 FS401的工作原理

    FS401芯片內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,,主要包括數(shù)字視頻處理器,、數(shù)字電視編碼器、3路9位D/A轉(zhuǎn)換器,、3路8位A/D轉(zhuǎn)換器,、內(nèi)部時(shí)序發(fā)生器,、輸入信號(hào)選擇與處理單元、外存儲(chǔ)器管理單元和芯片外接口電路等,。從芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出,,F(xiàn)S401提供了模擬和數(shù)字兩種RGB視頻信號(hào)輸入接口,在模擬RGB信號(hào)送到數(shù)字視頻處理器之前,需經(jīng)過(guò)8位 A/D轉(zhuǎn)換器,,將模擬RGB信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字RGB信號(hào),;芯片內(nèi)部還有一個(gè)彩條發(fā)生器,可產(chǎn)生8種彩條信號(hào),。這三路信號(hào)可以任選其中一路作為輸入信號(hào),,并將其送到數(shù)字視頻處理器中,通過(guò)行存儲(chǔ)器和場(chǎng)存儲(chǔ)器緩存,,完成掃描方式變換,、行場(chǎng)頻率調(diào)整、色度信號(hào)變換以及數(shù)字濾波等信號(hào)處理工作,。經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理的視頻數(shù)據(jù)被送到電視視頻編碼器,,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,,使其輸出轉(zhuǎn)換為符合廣播電視標(biāo)準(zhǔn)的Video和S-Video,、分量視頻或RGB數(shù)字視頻信號(hào),最后經(jīng)過(guò)9位 D/A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),。FS401的內(nèi)部時(shí)序發(fā)生器主要是根據(jù)VGA輸入的行同步和場(chǎng)同步信號(hào)以及外部P制時(shí)鐘(17.734 MHz)和N制時(shí)鐘(14.318 MHz)產(chǎn)生FS401芯片的控制時(shí)序、讀寫(xiě)時(shí)序以及視頻輸出所需的各種同步信號(hào)及色副載波信號(hào)等,。此外,,F(xiàn)S401芯片還提供I2C接口電路,可通過(guò)外部微控制器去控制芯片內(nèi)部寄存器,,實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)制式選擇,、圖像亮度、對(duì)比度,、飽和度等參數(shù)的凋節(jié),。

1.2 視頻轉(zhuǎn)換器的整體結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計(jì)的視頻轉(zhuǎn)換器可將VGA信號(hào)分配為兩路VGA信號(hào)且同時(shí)轉(zhuǎn)換為電視信號(hào),其原理結(jié)構(gòu)如圖2所示,。主要器件有FS401視頻處理芯片,、微處理器AT89C2051、SDRAM存儲(chǔ)器GM72V161621CT及I2C總線(xiàn)接口等,。視頻信號(hào)由PC機(jī)VGA輸入接口連到FS401,,實(shí)現(xiàn)電視信號(hào)的輸出,同時(shí)具有VGA視頻2路環(huán)出通道可以接到顯示器,因此無(wú)需任何外部設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)顯示器和電視機(jī)同時(shí)顯示輸出,其中電視信號(hào)具有復(fù)合視頻和S-Video視頻兩種輸出接口,。選用的微處理器AT89C2051片內(nèi)帶有2 KB Flash閃速存儲(chǔ)器,,128 B RAM,內(nèi)置一個(gè)精密比較器,、片內(nèi)振蕩器和晶振等資源[7],,因此外圍電路大大簡(jiǎn)化。通過(guò)I/O口觸發(fā)微處理器動(dòng)作,,AT89C2051根據(jù)不同命令由I2C接口對(duì)FS401內(nèi)各寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

 

 

2 視頻轉(zhuǎn)換器的硬件電路設(shè)計(jì)
    文中設(shè)計(jì)的視頻轉(zhuǎn)換器主要由電源電路,、視頻轉(zhuǎn)換電路,、視頻分配電路和視頻轉(zhuǎn)換控制電路組成。
2.1 電源電路設(shè)計(jì)
    PC機(jī)載電源為5 V,為確保系統(tǒng)電源的可靠性,,采用AMS1117穩(wěn)壓器模塊實(shí)現(xiàn)了電源到數(shù)字3.3 V,、 模擬3.3 V和數(shù)字5.0 V的轉(zhuǎn)換,如圖3所示,為系統(tǒng)正常工作提供了一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境,。

2.2 視頻轉(zhuǎn)化電路設(shè)計(jì)
    PC機(jī)輸出的VGA信號(hào)輸入到系統(tǒng)前端,,經(jīng)過(guò)濾波處理后輸入到FS401內(nèi)。對(duì)于VGA模擬輸入需要處理R,、G,、B三色信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)。其中R,、G,、B三色信號(hào)是模擬電平信號(hào),因FS401片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器最大處理能力是50 MHz,,所以在A/D轉(zhuǎn)換器前端需要加RC低通濾波電路控制R,、G、B輸入信號(hào)在30 MHz以下,。行場(chǎng)同步信號(hào)是邏輯電平信號(hào),,用RC低通濾波進(jìn)行處理。在輸出端,,視頻轉(zhuǎn)換器同時(shí)輸出復(fù)合視頻和S-Video視頻,。因模擬輸出信號(hào)較容易受到數(shù)字信號(hào)帶來(lái)的電噪聲影響,故在FS401和連接端口之間應(yīng)放置三階重建濾波器,。該過(guò)濾器網(wǎng)絡(luò)不僅將FS401的DAC輸出信號(hào)加強(qiáng),,同時(shí)可將數(shù)字信號(hào)可能的噪聲最小化,并可減少由于阻抗不匹配帶來(lái)的傳輸反射影響,。
2.3視頻分配電路設(shè)計(jì)
    VGA信號(hào)分配是指一路VGA信號(hào)帶2個(gè)或4個(gè)顯示器[8-9],。VGA信號(hào)分配包括兩部分,一是視頻三色信號(hào)R,、G,、B的分配,;二是行場(chǎng)同步信號(hào)HSYNC、VSYNC的分配,。
    同步信號(hào)分路如圖4所示,。行、場(chǎng)同步信號(hào)HSYNC,、VSYNC經(jīng)過(guò)高速反相器74HC04后,,輸出波形得到整形,提高了負(fù)載能力后,,分別接至輸出分路器1,、2路的行、場(chǎng)同步信號(hào)線(xiàn)上,,實(shí)現(xiàn)VGA行,、場(chǎng)同步信號(hào)的1分2功能。

    視頻信號(hào)R,、G,、B分路如圖5所示。C2和R5構(gòu)成高通網(wǎng)絡(luò),,下限截止頻率為1/(2πRC),。通過(guò)改變電阻R5和電容C2的值,就可改變下限頻率,。Q1,、Q2、Q3為高頻三極管,,其截止頻率應(yīng)大于視頻信號(hào)的最高頻率,,該設(shè)計(jì)選擇型號(hào)為C1959,基頻帶寬可達(dá)到300 MHz,,完全滿(mǎn)足視頻信號(hào)100 MHz的需求,。Q2、Q3構(gòu)成兩級(jí)射極跟隨器,,RED_OUT1,、RED_OUT2分別接至輸出分路器1、2路VGA的紅色信號(hào)輸入端,。VGA信號(hào)的藍(lán)色,、綠色信號(hào)分路原理與紅色信號(hào)一致,從而實(shí)現(xiàn)了VGA信號(hào)的1分2功能,。

2.4 視頻轉(zhuǎn)換控制電路設(shè)計(jì)
    I2C總線(xiàn)控制電路如圖6所示,,系統(tǒng)的控制電路由 AT89C2051實(shí)現(xiàn),采用通用IO口來(lái)模擬I2C總線(xiàn),完成對(duì)FS401上電初始化和內(nèi)部寄存器設(shè)定。

3 可編程I2C接口軟件設(shè)計(jì)
    I2C總線(xiàn)[10]是一種簡(jiǎn)單的雙向二線(xiàn)制同步串行總線(xiàn),,I2C總線(xiàn)上的器件之間通過(guò)串行數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和串行時(shí)鐘線(xiàn)SCL相連接并傳送信息,。
    本系統(tǒng)采用AT89C2051的P1口的管腳6和7分別模擬I2C總線(xiàn)的SCL和SDA管腳。AT89C2051作為主控制器在總線(xiàn)上發(fā)送命令,,F(xiàn)S401作為接收器接受總線(xiàn)上的命令,。命令發(fā)送中必須包括FS401的地址信息,該設(shè)計(jì)選擇地址為0X4A,。
    FS401控制寄存器以字為單位進(jìn)行讀寫(xiě),每次讀寫(xiě)過(guò)程中都要求兩個(gè)字節(jié)一起操作,。當(dāng)寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí),需要進(jìn)行同時(shí)寫(xiě)兩個(gè)字節(jié)的操作,,并且只有當(dāng)?shù)诙€(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)送入后才執(zhí)行寫(xiě)操作,。通過(guò)I2C進(jìn)行設(shè)置的參數(shù)主要包括電視信號(hào)的制式、圖像飽和度,、亮度、對(duì)比度值等,。比如輸出電視的制式可通過(guò)對(duì)硬件控制映射寄存器HCRS的PAL_NTSC進(jìn)行設(shè)置,,PAL_NTSC=l時(shí)選擇PAL制輸出,PAL_NTSC=0時(shí)選擇NTSC制輸出,。同時(shí)對(duì)HCRS中OFMT的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)不同輸出格式的選擇,,設(shè)置OFMT=0時(shí)復(fù)合視頻和S-Video同時(shí)輸出,OFMT=1時(shí)是RGB視頻信號(hào)輸出,,OFMT=2時(shí)是分量視頻輸出,。因此,通過(guò)I2C接口對(duì)FS401內(nèi)部軟件寄存器HCRS進(jìn)行編程寫(xiě)操作即可完成電視信號(hào)制式和輸出格式的設(shè)定。
    本文采用FS401數(shù)字圖像處理器,,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種高分辨率VGA-TV視頻轉(zhuǎn)換器,,在實(shí)現(xiàn)二路VGA高分辨率視頻分配的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了分辨率從VGA(640×480)到UXGA(1 600×1 280)的計(jì)算機(jī)圖像都能高質(zhì)量地轉(zhuǎn)換為電視視頻圖像,。該視頻轉(zhuǎn)換器可以輸出PAL制或NTSC制電視信號(hào),且能同時(shí)輸出復(fù)合視頻信號(hào)和S端子信號(hào),,并可選擇視頻輸出的格式。該視頻轉(zhuǎn)換器已經(jīng)測(cè)試并正準(zhǔn)備應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中,。測(cè)試結(jié)果表明,,輸出圖像清晰度高,畫(huà)面穩(wěn)定,,適用于多分辨率,、多制式視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng),具有較高的應(yīng)用價(jià)值,?!?br/>參考文獻(xiàn)
[1] 薛海衛(wèi).一種VGA到TV數(shù)字視頻轉(zhuǎn)換電路的設(shè)機(jī)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2010,35(2):194-197.
[2] 牛江龍,畢篤彥.機(jī)載電視制導(dǎo)導(dǎo)彈視頻轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(1):208-210.
[3] 王效靈,顧偉康,王匡.?dāng)?shù)字視頻后處理芯片及系統(tǒng)應(yīng)用方案[J]. 科技通報(bào),2004,21(2):218-221.
[4] 郭平,李要鋒.基于Vx1937的VGA/TV轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程,2010,18(4):97-98.
[5] 石江宏,周劍揚(yáng).一種非標(biāo)準(zhǔn)VGA-TV轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2001,27(2):65-67.
[6] FOCUS Enhancements Company. FS401/FS403 PRODUCT  SPECIFICATION[S]. 2007.
[7] Atmel Corporation. AT89C2051 DataSheet[S]. 2005.
[8] 朱雪蘭.多媒體高分辨率VGA選擇分配器的設(shè)計(jì)[J].電子工程師,2006,32(2):44-46.
[9] 劉小艷,金平.可同時(shí)輸出彩色和灰度圖像的VGA視頻分配器設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2010,27(5):63-66.
[10] PARET D. The I2C-bus from theory to practice[M]. Chichester, WestSussex; New York: Wiley,1997.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。