劉媛媛,馮宏偉

（1.無錫科技職業(yè)學院，江蘇 無錫 214028；2.無錫祥生醫(yī)療影像有限公司，江蘇 無錫 214028）

隨著數(shù)字視頻技術的快速發(fā)展，視頻轉換處理技術的應用越來越廣泛。在宣傳演示、教育、娛樂游戲、視頻監(jiān)控、機載視頻顯示等領域均要求將PC輸出的VGA視頻信號轉化成普通的標準電視信號。VGA視頻絕大多數(shù)采用逐行掃描，而模擬電視信號則采用隔行掃描技術，且各自的行頻和場頻不相同，由于工作方式的差別，從VGA到TV的視頻轉換需要完成掃描從逐行到隔行的轉換，行頻和場頻的相互匹配。視頻轉換器可實現(xiàn)VGA信號到電視視頻信號的轉換，但目前視頻轉換器所能支持的最大分辨率一般不超過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)字圖像處理器設計一種高分辨率多制式的VGA-TV視頻轉換器，使分辨率從640×480到1 600×1 280的計算機圖像都能高質量地轉換為電視視頻圖像[6]。給出視頻轉換器硬件系統(tǒng)工作原理和設計思路，將介紹VGA視頻信號分配成兩個VGA信號的高分辨率視頻分配設計原理，單片機靈活地實現(xiàn)了I2C總線對FS401的編程控制。

1 FS401的工作原理及視頻轉換器結構

1.1 FS401的工作原理

FS401芯片內部組成結構框圖如圖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轉換器、3路8位A/D轉換器、內部時序發(fā)生器、輸入信號選擇與處理單元、外存儲器管理單元和芯片外接口電路等。從芯片內部結構可以看出，F(xiàn)S401提供了模擬和數(shù)字兩種RGB視頻信號輸入接口,在模擬RGB信號送到數(shù)字視頻處理器之前，需經(jīng)過8位 A/D轉換器，將模擬RGB信號轉換為數(shù)字RGB信號；芯片內部還有一個彩條發(fā)生器，可產(chǎn)生8種彩條信號。這三路信號可以任選其中一路作為輸入信號，并將其送到數(shù)字視頻處理器中，通過行存儲器和場存儲器緩存，完成掃描方式變換、行場頻率調整、色度信號變換以及數(shù)字濾波等信號處理工作。經(jīng)過數(shù)字信號處理的視頻數(shù)據(jù)被送到電視視頻編碼器，對亮度信號、色差信號以及色副載波信號等進行編碼，使其輸出轉換為符合廣播電視標準的Video和SVideo、分量視頻或RGB數(shù)字視頻信號，最后經(jīng)過9位D/A轉換器，將數(shù)字信號變成標準的模擬電視信號。FS401的內部時序發(fā)生器主要是根據(jù)VGA輸入的行同步和場同步信號以及外部P制時鐘(17.734 MHz)和N制時鐘(14.318 MHz)產(chǎn)生 FS401芯片的控制時序、讀寫時序以及視頻輸出所需的各種同步信號及色副載波信號等。此外，F(xiàn)S401芯片還提供I2C接口電路，可通過外部微控制器去控制芯片內部寄存器，實現(xiàn)電視信號制式選擇、圖像亮度、對比度、飽和度等參數(shù)的凋節(jié)。

1.2 視頻轉換器的整體結構

本文設計的視頻轉換器可將VGA信號分配為兩路VGA信號且同時轉換為電視信號，其原理結構如圖2所示。主要器件有FS401視頻處理芯片、微處理器AT89C2051、SDRAM存儲器 GM72V161621CT及 I2C總線接口等。視頻信號由PC機VGA輸入接口連到FS401，實現(xiàn)電視信號的輸出,同時具有VGA視頻2路環(huán)出通道可以接到顯示器，因此無需任何外部設備就可實現(xiàn)計算機顯示器和電視機同時顯示輸出，其中電視信號具有復合視頻和S-Video視頻兩種輸出接口。選用的微處理器AT89C2051片內帶有2 KB Flash閃速存儲器，128 B RAM，內置一個精密比較器、片內振蕩器和晶振等資源[7]，因此外圍電路大大簡化。通過I/O口觸發(fā)微處理器動作，AT89C2051根據(jù)不同命令由I2C接口對FS401內各寄存器進行讀寫操作。

2 視頻轉換器的硬件電路設計

文中設計的視頻轉換器主要由電源電路、視頻轉換電路、視頻分配電路和視頻轉換控制電路組成。

2.1 電源電路設計

PC機載電源為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的轉換,如圖 3所示，為系統(tǒng)正常工作提供了一個穩(wěn)定的環(huán)境。

2.2 視頻轉化電路設計

PC機輸出的VGA信號輸入到系統(tǒng)前端，經(jīng)過濾波處理后輸入到FS401內。對于VGA模擬輸入需要處理R、G、B三色信號和行場同步信號。其中 R、G、B三色信號是模擬電平信號，因FS401片內A/D轉換器最大處理能力是50 MHz，所以在A/D轉換器前端需要加RC低通濾波電路控制R、G、B輸入信號在30 MHz以下。行場同步信號是邏輯電平信號，用RC低通濾波進行處理。在輸出端，視頻轉換器同時輸出復合視頻和S-Video視頻。因模擬輸出信號較容易受到數(shù)字信號帶來的電噪聲影響，故在FS401和連接端口之間應放置三階重建濾波器。該過濾器網(wǎng)絡不僅將FS401的DAC輸出信號加強，同時可將數(shù)字信號可能的噪聲最小化，并可減少由于阻抗不匹配帶來的傳輸反射影響。

2.3 視頻分配電路設計

VGA信號分配是指一路VGA信號帶2個或4個顯示器[8-9]。VGA信號分配包括兩部分，一是視頻三色信號 R、G、B的分配；二是行場同步信號HSYNC、VSYNC的分配。

同步信號分路如圖4所示。行、場同步信號HSYNC、VSYNC經(jīng)過高速反相器74HC04后，輸出波形得到整形，提高了負載能力后，分別接至輸出分路器1、2路的行、場同步信號線上，實現(xiàn)VGA行、場同步信號的1分2功能。

視頻信號R、G、B分路如圖 5所示。C2和 R5構成高通網(wǎng)絡，下限截止頻率為1/(2πRC)。通過改變電阻R5和電容C2的值，就可改變下限頻率。Q1、Q2、Q3為高頻三極管，其截止頻率應大于視頻信號的最高頻率，該設計選擇型號為C1959，基頻帶寬可達到 300 MHz，完全滿足視頻信號100 MHz的需求。Q2、Q3構成兩級射極跟隨器，RED_OUT1、RED_OUT2分別接至輸出分路器 1、2路VGA的紅色信號輸入端。VGA信號的藍色、綠色信號分路原理與紅色信號一致，從而實現(xiàn)了VGA信號的1分2功能。

2.4 視頻轉換控制電路設計

I2C總線控制電路如圖6所示，系統(tǒng)的控制電路由AT89C2051實現(xiàn),采用通用IO口來模擬I2C總線，完成對FS401上電初始化和內部寄存器設定。

3 可編程I2C接口軟件設計

I2C總線[10]是一種簡單的雙向二線制同步串行總線，I2C總線上的器件之間通過串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線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總線的SCL和SDA管腳。AT89C2051作為主控制器在總線上發(fā)送命令，F(xiàn)S401作為接收器接受總線上的命令。命令發(fā)送中必須包括FS401的地址信息，該設計選擇地址為0X4A。

FS401控制寄存器以字為單位進行讀寫,每次讀寫過程中都要求兩個字節(jié)一起操作。當寫入一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，需要進行同時寫兩個字節(jié)的操作，并且只有當?shù)诙€字節(jié)的數(shù)據(jù)送入后才執(zhí)行寫操作。通過I2C進行設置的參數(shù)主要包括電視信號的制式、圖像飽和度、亮度、對比度值等。比如輸出電視的制式可通過對硬件控制映射寄存器HCRS的PAL_NTSC進行設置，PAL_NTSC=l時選擇PAL制輸出，PAL_NTSC=0時選擇NTSC制輸出。同時對HCRS中OFMT的設置可實現(xiàn)不同輸出格式的選擇，設置OFMT=0時復合視頻和S-Video同時輸出，OFMT=1時是RGB視頻信號輸出，OFMT=2時是分量視頻輸出。因此,通過I2C接口對FS401內部軟件寄存器HCRS進行編程寫操作即可完成電視信號制式和輸出格式的設定。

本文采用FS401數(shù)字圖像處理器，設計開發(fā)了一種高分辨率VGA-TV視頻轉換器，在實現(xiàn)二路VGA高分辨率視頻分配的同時，實現(xiàn)了分辨率從VGA(640×480)到UXGA(1 600×1 280)的計算機圖像都能高質量地轉換為電視視頻圖像。該視頻轉換器可以輸出PAL制或NTSC制電視信號,且能同時輸出復合視頻信號和S端子信號，并可選擇視頻輸出的格式。該視頻轉換器已經(jīng)測試并正準備應用于實際系統(tǒng)中。測試結果表明，輸出圖像清晰度高，畫面穩(wěn)定，適用于多分辨率、多制式視頻轉換系統(tǒng)，具有較高的應用價值。

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