一种高分辨率视频转换系统的设计

一种高分辨率视频转换系统的设计

刘佐濂,何清平,林　展

(广州大学物理与电子工程学院　广东广州　510405)

摘　要:介绍了一种视频信号转换系统,本系统能将医学专用显示设备上播放的非标准单色模拟视频信号转换为标准电视视频信号、标准SVGA视频信号,也可直接输出标准数字视频信号。使非标准单色模拟视频信号能够在通用隔行或逐行显示设备上显示,解决了医学系统产生的视频信号在教学、演示或传输方面的需要。本系统在多家医院试用,达到设计功能。

关键词:视频信号;帧存储器;视频编码器;FPGA

中图分类号:TN91918　　　　　文献标识码:B　　　　　文章编号:1004373X(2006)0313903

ADesignofaHighidentifyingVideoSignalTransferSystem

LIUZuolian,HEQingping,LINZhan

(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou,510405,China)

Abstract:Thepaperexploresavideosignaltransfersystem.ThesystemnotonlycantransferthenonstandardsinglecoloranalogvideosignalappliedinmedicalmonitoringsystemintostandardtelevisionvideosignalandSVGAvideosignal,butalsocandirectlytransmitstandarddigitalvideosignal.Thissystemenablesthenonstandardsingle

coloranalogvideosignaltobedisplayedininter2

weavedorlinebylinescanningmonitors,thusitmeetsthedemandsintheaspectsofteaching,displayingortransmitting.Thissystemhasbeentestedinmanyhospitalsandithasreachedthefunctionwhenitisdesigned.

Keywords:videosignal;framememorizer;videocoder;FPGA

1　引　言

在视频显示设备中主要使用标准模拟视频信号和非标准模拟视频信号2类模拟视频信号。许多非标准的视频信号(医学DSA系统产生的视频信号就是在1000线以上的非标准的视频信号)无法在通用视频显示设备上正常显示,必须用专门的显示设备,当其要在通用视频显示设备上显示时(如教学、演示或传输需要),需要有能把非标准模拟视频信号转换为标准模拟视频信号的装置。目前对于非标准视频信号转换的解决方案一般为:以视频采集卡的形式结合计算机实现对非标准单色模拟视频信号转换为标准SVGA视频信号。该方案的问题在于必须结合计算机才能实现。

本设计的目的是克服现有技术的不足,提供一种视频信号转换装置,将只能在专用显示设备上播放的非标准单色模拟视频信号转换为标准电视视频信号(PAL或NTSC制)、标准SVGA视频信号,使其能够在通用隔行或逐行显示设备(如普通监视器、电视机与VGA显示器等)上显示,或直接输出数字视频信号到数字视频显示设备。

收稿日期:20050910

2　视频转换系统的基本原理

系统框图如图1所示。基本原理如下:

图1　系统框图

非标准单色视频信号采集解码模块由视频信号电平自动调整接口电路与高速智能AD芯片及其外围器件组成,实现非标准高分辨率隔行黑白视频信号的电平自动调整、保证高速AD采集、视频同步等信息的处理。转换控制模块由5万门高性能数字专用集成电路及其外围器件组成,内部嵌入根据非标准视频信号特征建立的转换实现算法,完成视频流空间转换及ITU601数字视频信号编码输出。图像数据存储模块由高速FIFO芯片及外围器件组成,在转换算法的控制下实现视频流图像数据的缓冲、储存。视频编码模块由标准视频编码器、SVGA编码器组成,实现标准视频信号(普通TV,监视器显示)、RGB与

139

终端与显示技术刘佐濂等:一种高分辨率视频转换系统的设计

3.2　预处理电路

预处理电路包括限幅、缓冲、带通滤波等电路,主要实现视频信号的电平调整、缓冲、低通滤波。其中电平调整、缓冲电路使输入的电平与后面的电路模块匹配,防止高电压脉冲干扰、损坏器件并减少失真。带通滤波器高端截止频率为取样频率的一半,以滤除可能产生频谱混叠的高频成分,避免图像因频谱混叠效应而出现的涟漪状的干扰。

SYC信号输出(普通电脑显示器显示)。功能控制模块由MCU及外围器件、按键等组成,实现整个转换系统的实时

控制。包括视频输出通道选择和SVGA分辨率选择。3　视频转换系统的研制3.1　核心电路设计

本项目使用模块化设计,核心电路设计如图2所示。

图2　核心电路设计

3.3　箝位电路

视频信号在传输的过程中会受到50Hz或100Hz交流电源信号的干扰(调制),使每一行信号的黑电平不同,数字量化前使用强逼箝位电路即可消除干扰。另外,视频信号传输过程中,直流分量(背景亮度),经过RC电路传输后电平变为零,即丢失了直流成分(背景亮度),为恢复视频信号的直流分量(即背景亮度),使用了箝位电路。本项目使用了ElantecSemiconductor公司的EL4093箝位芯片,在每行的行同步上升沿后的黑电平处箝位。由于模/数转换芯片ADS828的输出电平范围为:115～315V,故箝位直流电压为115V(由ADS828输出)。3.4　同步分离电路

要正确还原图像,必须根据图像的行场同步信号来控制信号的采集。如需要判断什么时候是图像的开始,什么时候是行的开头,什么时候结束,根据这些信息来控制

A/D转换器把模拟视频信号转化为数字视频信号。EL4583是视频信号的同步分离芯片,通过调节RSET脚

统输出的非标准视频信号)。另外本模块还加入了整形电路(74HC14),使分离的行场同步信号更稳定、更陡,从而使图像还原更稳定。3.5　采样时钟发生器

AV9173是ICS公司生产的锁相环芯片,用于产生视

频信号象素点采样时钟CLK。EL9173输入的时钟为

500kHz(用1MHz有源晶振二分频而得),输出频率由SVGA分辨率和视频源的行频决定。通过选择合适的分

频比N,即可输出符合要求的时钟信号。输出频率、输入和反馈分频数的关系如图3所示。

图3　采校时钟发生器

假如某视频源的行频为3112kHz,场频为50Hz,则每场有31200/50=624行。转换为800(有效点)×600

(有效行)的SVGA信号,则每行需要采样约900个点;采

到地间电阻值,可以分离出非标准复合视频信号的同步信

息。当电阻值为260kΩ时,可以分离出行频为

31122kHz,场频为50Hz的非标准视频信号(如DSA系

样时钟计算公式为:

采样时钟=行数×每行采样点数×每秒钟场扫描次

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《现代电子技术》2006年第3期总第218期数(场频)

即:采样时钟=行频×每行采样点数

即:fOUT=31200×900=28080000Hz=28108MHz所以分频比N=28MHz/015MHz=56。3.6　A/D转换电路

模/数转换芯片在采样时钟的控制下,把模拟视频信号转换为数字信号数据,每个采样时钟控制ADS828采样一个数据。为适应医学视频信号电平,ADS828的输入电平范围设为2Vpp,即115～315V。箝位电路将视频输入箝位为115～315V(见前面“箝位电路”所述)。3.7　帧存储器

帧存储器采用AverLogic公司512kB的FIFO芯片

AL440B,用于储存采样的帧数据,以待进一步处理,如插　󰃞电子技术应用󰃜

的行场同步信号。在行场同步信号的控制下,将之前A/D变换存入FIFO(先进先出堆栈)的数据,以ITU601格式读出,并输入BT865中,由BT865编码输出符合我国电视制式标准的PAL/D视频信号。可以选择输出复合视频信号和Y/C(SVIDEO)信号,以适应各种需要。3.11　高速模拟开关

ADG712BRG为高速模拟开关,共可控制4路信号的

选通。每个通道有一个控制脚控制,控制脚为高电平是该通道闭合,否则断开。本系统通过控制模块W78E58产生控制信号,控制ADG712BRG选通两路视频信号。3.12　控制电路按键KEY产生控制信号,通过MCU(W78E58)向

FPGA发送配置信号或直接控制外围芯片,使系统产生符合

值、ITU601标准编码、行合并等处理。若信号源行数为600(有效行),每行采样800个有效点,则单场需要的FIFO大小为:800×600=480000(468175kB),一块AL440B(512kB)即可存储,采集两场信号数据则需要两

要求的改变,如改变SVGA的分辨率、选择视频输出通道等。3.13　可编程芯片功能实现

可编程芯片选用EPF10K50EQC2402,为5万门的高速、高性能现场可编程门阵列(FPGA)。可编程芯片使用

VHDL硬件描述语言编程,在芯片内部构建了Control,FIFO,Configure,Syncgenerator及SDRIP,ITU601EN2CODER功能模块。如图4所示。

块AL440B。模/数转换(ADC)的图像数据必须根据行场同步产生的控制时序顺序写入到FIFO内。3.8　SVGA显示象素时钟发生器

显示象素时钟根据SVGA的分辨率和刷新频率改变。如显示器显示分辨率为800(每行有效点)×600(每场有效行),刷新频率为70Hz的图像,则显示象素时钟为:900

(采样点数)×624(采样行数)×70Hz=39375000Hz=391375MHz。AV9173AV9173

01的输入时钟为500kHz,根据

01的数据表(Datasheet)可以计算出,只要选择

分频比为N=391373MHz/015MHz=78175即可产生符合要求的显示象素时钟信号。3.9　D/A转换电路

SVGA编码芯片选用AnalogDevices公司的ADV7128

80。内含1个10b高速D/A转换器,最高转

图4　PF10K50EQC2402内部构建的功能模块

换速度达80MHz。在可编程芯片的控制下,存放在FIFO的帧图像数据,按照一定的逻辑读出,并输入D/A转换器,通过相应的控制逻辑,可以实现符合EIARS色图像)标准的SVGA逐行信号的转换。3.10　视频编码器

标准视频编码器选用了Conexant公司的BT865A,

BT865能将8或16位YCRCB数字视频流转换为复合视

170(单

控制功能模块主要完成系统外围芯片的各种逻辑控制,包括采样(ADC)、箝位、各种芯片的硬件设置控制(如硬件设置芯片的工作模式),与控制模块的通讯管理及各种控制、时钟和数据信号的管理。FIFO模块的功能是控制图像数字信号的存放和读出。由Control控制ADC采集的数据,在FIFO模块的控制下顺序写入AL440,而在还原图像时,FIFO模块则控制读出FIFO的数据。Con2

figure模块主要对相应模块进行功能配置作用。开机上电

频(CVBS)和Y/C(SVIDEO)等视频信号。BT865能支

持全世界的各种视频标准,编码输出适合各种制式的视频信号。本系统将BT865输出设为PAL制式,以还原较高水平分辨率的黑白图像。BT865A可以设置为主模式和从模式工作,内部含有标准电视制式同步信号发生器,主模式工作时可以输出标准电视制式同步信号。本系统中设置BT865为主模式,同时根据我国的电视制式,选择

PAL/D制式视频标准。由BT865输出符合我国电视制式

后,Configure马上计算信号源的行场频,然后将结构输入到MCU。MCU根据实际的行场频数据,计算出适合信号源的配置参数(如行数、SVGA刷新频率等),并输入到

Configure模块,通过Configure模块对各个模块和外围芯

片进行配置,使其适应视频信号源。SDRIP,ITU601En2

coder为数字视频信号编码模块,把存放在FIFO的数字视

(下转第144页)　

141

终端与显示技术刘　勇等:基于TMS320F2812&CPLD的液晶显示的驱动设计

4　结　语

简单介绍了TI最新32位控制DSP与液晶显示模块在导航系统显示中的应用。给出了接口方案,利用了CPLD来进行逻辑转换和控制。提供了一种高速器件和慢速接口之间的通讯方案,时序一致性方面的分析。通过此次接口方案和设计的研究,从工程的角度提供了一种行之有效的方案对以后系统的进一步开发提供了新的思路,对于其他嵌入式系统的开发也很有借鉴作用。应指出的是在设计过程中一定要注意电源的供电,如果电源接错将可能烧坏液晶和DSP芯片,所以在必要的地方要尽量加隔离措施。参　考　文　献[1]TMS320C28XDSPCPUandInstructionSetReference

Guide(Rev.D).TI,31Mar2004.

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…

LD#40H,A

PORTW　3(8H),Oe02hSTM#O11HSTM#7,1ahRPTB　LCDSYSTABNOP

PORTW3AR1(systab),Oe00hMAR3AR1+LCDSYSTAB:…

systab:　

.word30h,87h,07h,3eh,efh,28h,00h

北京:电子工业出版社,2005.

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图3　液晶显示初始化程序流程图

作者简介　刘　勇　男,副教授,硕士生导师。主要从事导航、制导与控制,组合导航设计等方面的研究开发工作。

蔡延财　男,海军工程大学组合导航与自动航行专业硕士研究生。

　　(上接第141页)

频信号按照ITU601标准时序读出。4　结　语

本视频信号转换装置可输出3类标准视频信号:一类是标准电视(PAL制或NTSC制)视频信号,装置提供

BNC端子连接及S端子连接,可直接接到通用隔行显示

用前景。

参　考　文　献

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[5]朱耀光.基于FPGA的LCD与VGA控制器设计[J].电子

设备,如普通监视器或电视机,也可通过射频调制器调制后通过同轴电缆进行远程传输;一类是标准逐行SVGA视频信号,该装置提供SVGA端子连接,可直接接到通用逐行显示设备(如普通电脑显示器),此时也可通过SVGA延长器与SVGA电缆输送到200m内的远程端的通用逐行显示设备;一类是标准数字视频信号(ITU601/

ITU656),可连接到ITU601/ITU656数字视频显示器上。

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[6]樊昌信.数字专用集成电路设计[M].北京:电子工业出版

本系统在多家医院实际使用,图像清晰稳定,有很好的应

社,1996.

作者简介　刘佐濂　男,1970年出生,广州大学讲师。主要从事单片机应用研究。

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