摘 要： 針對企業(yè)生產(chǎn)VGA數(shù)據(jù)線性能測試方面的需求，設計一款VGA數(shù)據(jù)線測試儀。該測量儀按照VGA視頻流格式把VGA視頻流信號通過被測數(shù)據(jù)線進行傳輸，然后通過計算其VGA視頻流信號的錯誤率來判斷數(shù)據(jù)線性能的好壞。實驗結果和實際應用表明，該儀器較其他測試方法具有測試速度快，測試結果準確等優(yōu)點，可廣泛地應用于VGA數(shù)據(jù)線生產(chǎn)企業(yè)。

關鍵詞： VGA； 數(shù)據(jù)線； 視頻流； 數(shù)據(jù)線測試儀

中圖分類號： TN913.3?34； TH89 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0127?04

Design and implementation of VGA data cable tester based on FPGA

CHEN Pingping1， YANG Lei2， ZHANG Zhijian1

（1. School of Electronic Engineering， Dongguan University of Technology， Dongguan 523808， China；

2. Institute of Engineering Technology， Dongguan University of Technology， Dongguan 523808， China）

Abstract： A VGA data cable tester was designed to satisfy the demand for the performance test of VGA data cable produced by enterprises. With the tester， the VGA video stream signal is transmitted through the tested data line according to the VGA video stream format， and then the error rate of VGA video streaming signal is calculated to determine the performance of data cable. The experimental results and practical application show that， in comparison with other test methods， the tester has faster test speed and more accurate test results， and can be widely used in VGA data cable manufacturers.

Keywords： VGA； data cable； video stream； data cable tester

VGA（Video Graphics Array）是IBM在1987年隨PS/2機一起推出的一種視頻傳輸標準，是IT業(yè)使用時間最長的視頻傳輸方式[1?2]。它支持從640×480到2 560×1 600的各種分辨率。雖然已經(jīng)有了HDMI，Displayport等高清數(shù)字標準，但VGA可以支持遠遠高于高清的分辨率。所以目前各大工程及各大機構的指揮中心（如：軍警和電視臺）均采用VGA技術來傳輸超高清晰的大屏幕圖像[3?4]。

VGA數(shù)據(jù)線是用來連接各個VGA接口設備間的必須通道。目前生產(chǎn)VGA數(shù)據(jù)線時，對數(shù)據(jù)線的測試基本上只是測試內(nèi)部接口是否連通，是否有短路或斷路，其傳輸性能卻無法測試[5]。因為如果使用網(wǎng)絡分析儀或是高頻信號發(fā)生器和頻譜分析儀進行測試時也只是進行單通道的傳輸測試，但因為VGA數(shù)據(jù)線中有視頻分量R，G，B等3路信號，同時還有HV和SV等2路行場時鐘信號。依次單獨測試其中1路信號的測試無法實現(xiàn)整體傳輸性能的判斷[6?7]。所以在很多VGA數(shù)據(jù)線生產(chǎn)企業(yè)都使用，把VGA數(shù)據(jù)線連接到視頻播放器和顯示器上面，進行實際的視頻傳輸測試，但這樣的測試方法，不但測試時間長，而且只是靠人的肉眼去看，無法定量分析其性能。

本文設計了一種采用實際傳輸VGA視頻信號，通過檢測視頻信號收發(fā)之間的數(shù)據(jù)差異來判斷數(shù)據(jù)線的傳輸性能。該方法具有測試速度快，4 s內(nèi)完成測試和能定性定量分析測試結果的優(yōu)點，可廣泛用于VGA數(shù)據(jù)線生產(chǎn)企業(yè)。

1 測試原理

本設計是針對VGA數(shù)據(jù)線傳輸VGA視頻信號的特點，在生產(chǎn)線上對VGA數(shù)據(jù)線進行性能測試。測試原理和方法是：如圖1所示，按照VGA視頻格式，將幾種常用的VGA矩陣測試信號，即垂直柵格、斜坡信號、窗口信號、彩條信號、32級階梯波和全白平場信號信號等形成VGA視頻流；將VGA視頻流通過被測數(shù)據(jù)線進行傳輸，然后通過計算其傳輸VGA視頻流信號的錯誤率來判斷數(shù)據(jù)線性能的好壞。具體實施如下：使用一個VGA視頻D/A轉換芯片和一個VGA視頻A/D轉換芯片，兩個芯片的外部都加了ESD保護芯片后成為了兩個VGA接口，被測VGA數(shù)據(jù)線就連接在兩個VGA接口上。由主控制器控制原始的數(shù)字信號輸出到VGA視頻D/A轉換芯片產(chǎn)生VGA視頻流信號，VGA視頻流經(jīng)過數(shù)據(jù)線后，就到達了第二個VGA接口，并由VGA視頻A/D轉換芯片接收轉換為數(shù)字信號，最后通過比較收發(fā)的信號差異性來計算其傳輸性能。最終判斷數(shù)據(jù)線性能的好壞，如選擇1 600×1 200@80 Hz的信號時，如果誤碼率小于10%，則認為數(shù)據(jù)線是合格的。

2 硬件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)結構圖如圖2所示，系統(tǒng)以FPGA為核心，輔之相應的電源、晶振、存儲器、LED指示燈和LCD鍵盤等模塊，以VGA視頻D/A和A/D芯片為控制對象，F(xiàn)PGA產(chǎn)生測試視頻流從VGA接口A輸出，從VGA接口B讀入數(shù)據(jù)。

FPGA采用Altera公司的Arria Ⅱ GX系列的EP2AGX125EF35。該芯片為1152引腳的BGA封裝，擁有124 100個LE，49 640個ALM，8 121 KB片內(nèi)存儲器，12個高速收發(fā)器，6個鎖相環(huán)（PLL），576個18×18乘法器。內(nèi)建32位的Nios Ⅱ 嵌入式處理器，負責整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。

電源為整個系統(tǒng)提供能源動力，具有30 W的功率，輸出5 V，3.3 V和1.2 V等電壓，能滿足系統(tǒng)各部分的需求。

LED為4顆彩色LED用于作為運行指示燈、測試進行指示燈、測試合格指示燈和不合格指示燈。

晶振選50 MHz有源晶振，通過FPGA內(nèi)部PLL倍頻到750 MHz為系統(tǒng)運行提供時鐘。

系統(tǒng)中設計了3個串口，其中一個為開發(fā)調(diào)試作用，一個為與上位機通信使用，另一個為與其他機器通信使用。

鍵盤采用4×4的矩陣鍵盤，在FPGA內(nèi)部建立鍵盤掃描模塊，負責鍵盤掃描。

LCD選用7英寸的TFT屏，具有320×240的分辨率，滿足良好的人機操作界面和測試功能顯示的需求。

VGA視頻D/A轉換芯片選用ADV7123，這是ADI公司推出的高速視頻D/A轉換芯片，高達330 MHz的轉換速度，能滿足VGA視頻流各類格式的視頻流信號轉換輸出的要求，電路圖如圖3所示。

VGA視頻A/D轉換芯片，選用AD9888，如圖4所示，這也是ADI公司的高速視頻A/D芯片，500 MHz的處理速度能滿足VGA視頻流各類格式的視頻流信號轉換輸入的要求。

ESD保護芯片選用MAX4895E，這是一款專門為VGA接口設計的ESD保護芯片，可以在測試數(shù)據(jù)線的撥插過程中進行靜電保護。DDR3使用了2片256 MB×16的DDR3芯片K4B4G1646B組成1 GB的存儲器作為系統(tǒng)的內(nèi)存使用，該芯片組為32位總線接口，在400 MHz的系統(tǒng)總線下能提供25.6 Gb/s的數(shù)據(jù)吞吐帶寬，滿足高速數(shù)據(jù)收發(fā)存儲的功能需求。

FLASH為JS28F512P30BF，芯片有64 MB的容量，作為系統(tǒng)的程序存儲器，用于存儲系統(tǒng)運行的程序和非易失性數(shù)據(jù)。該芯片為Micron公司生產(chǎn)的Parallel NOR FLASH存儲器提供16位的數(shù)據(jù)寬度，典型的訪問時間為25 ns，可滿足系統(tǒng)的高速運行需求。

PROMS為EPCS16SI16N，是FPGA的重配置芯片，提供了16 Mb的容量，可滿足大規(guī)模FPGA設計的重配置要求。

3 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計采用從下到上與至頂向下相結合的設計方法，采用模塊化設計，軟件都是在FPGA內(nèi)完成。很多處理程序采用軟件硬件化和處理電路采用硬件軟件化等軟硬件相結合的技術在FPGA內(nèi)完成。軟件結構圖如圖5所示，軟件設計分為兩大部分，一個基于VHDL的硬件化設計，即FPGA設計，主要是A/D驅動、D/A驅動、串口通信、TFT屏驅動和鍵盤掃描等部分；另一個基于C語言的軟件化設計，即Nios Ⅱ的程序設計，主要是主控程序、視頻流讀寫程序、通信程序和界面程序等部分。

3.1 FPGA設計

FPGA設計主要是采用VHDL語言設計，有鍵盤掃描控制器、串口通信控制器、A/D驅動器、D/A驅動器和TFT驅動控制器等。

利用Mealy狀態(tài)機的原理實現(xiàn)了三個串口通信控制器，波特率n×9 600 b/s（n為1～12可配置）。同時給主控程序提供了收發(fā)寄存器，用于串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

用Moore狀態(tài)機實現(xiàn)D/A驅動器和A/D驅動器。D/A驅動器自行產(chǎn)生VGA視頻流的行場信號，并將發(fā)送數(shù)據(jù)緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)送到D/A數(shù)據(jù)口中。A/D驅動器則是根據(jù)接收到的行場信號從A/D數(shù)據(jù)口中讀取數(shù)據(jù)，并送到接收數(shù)據(jù)緩存中。

采用Altera公司提供的5×5矩陣鍵盤IP核和TFT驅動控制器IP核實現(xiàn)人機交互界面。鍵盤IP核能自動識別按鍵的按下，并輸出中斷信號給主控器。TFT驅動控制器IP核提供了8位的顏色配置器可實現(xiàn)256色的320×240屏的控制和顯示。

3.2 Nios Ⅱ的程序設計

Nios Ⅱ的程序主要有主控程序、視頻流讀寫程序、人機界面程序和通信程序4大塊。

通信程序對接3個串口，根據(jù)主控程序要求實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。界面程序負責界面的繪制與顯示。視頻流讀/寫程序負責從測試數(shù)據(jù)發(fā)送到D/A驅動器的收發(fā)緩存中，同時從A/D驅動器的接收緩存中讀取數(shù)據(jù)。主控程序是系統(tǒng)運行的主干程序，負責調(diào)用各個子程序協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)的運行。如通過讀取鍵盤掃描的按鍵信息來判斷用戶的操作意圖，并通過界面程序實現(xiàn)界面操作的顯示。主要工作是通過視頻流讀寫程序，實現(xiàn)VGA數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)的收發(fā)和差錯統(tǒng)計，主程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電開機后首先要進行系統(tǒng)初始化，如內(nèi)部寄存器的復位清零和A/D、D/A芯片的初始化為下一步的測試做準備。然后是進行系統(tǒng)菜單界面顯示，并判斷是否啟動測試，如果不需要啟動測試就一直停在界面顯示步驟；如果啟動測試，則根據(jù)用戶選擇的VGA分辨率配置好發(fā)送數(shù)據(jù)的行場時鐘，然后開始發(fā)送視頻流，即從第一個數(shù)據(jù)幀開始，一個數(shù)據(jù)幀包括8幅完整的視頻圖片。連續(xù)發(fā)送10個數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的同時也在接收端接收視頻數(shù)據(jù)幀，采用流控對齊的方法進行數(shù)據(jù)對齊并存儲以方便比較。發(fā)送完所有數(shù)據(jù)幀以后則開始對比數(shù)據(jù)，因為傳輸?shù)哪M信號，需要考慮A/D、D/A芯片在數(shù)據(jù)轉換時的量化誤差，所以比對時，只要每個像素點收發(fā)兩個數(shù)據(jù)相差不超過3%，則認為是相同的。然后統(tǒng)計出有差異的像素點個數(shù)，最后計算出誤碼率。

4 測試與分析

為了驗證本設計的測試效果，將兩個廠家10種不同長度的數(shù)據(jù)線用本測試儀與網(wǎng)絡分析儀、電腦連顯示器實測對比。本測試儀和電腦、顯示器都設置為1 600×1 200@80 Hz的分辨率，測試結果如表1所示。

從表1中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可分析出：VGA數(shù)據(jù)線隨著長度的增加，其傳輸數(shù)據(jù)的帶寬會下降，誤碼率則增大；且用電腦連顯示器時，也會逐漸出現(xiàn)人眼能分辨的雪花。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明三種測試方法的結果基本一致，但本文設計的儀器測試時長遠小于其他兩種測試方法，具有測試速度快的優(yōu)點。根據(jù)分辨率為1 600×1 200@80 Hz的視頻標準，其傳輸帶寬至少要116 Mb/s以上，實測中，被測數(shù)據(jù)線的帶寬小至80.2 Mb/s時，肉眼目測還無法分辨雪花，但用本儀器已經(jīng)能測量出其傳輸視頻的誤碼率為7.9%，則表明本儀器具有測量精度高的特點。即用本儀器能更快速、更精確地測試出VGA數(shù)據(jù)線的傳輸性能。

5 結 語

本文設計并實現(xiàn)了一種基于FPGA的VGA數(shù)據(jù)線測試儀，詳細介紹了系統(tǒng)的測試原理和整體架構，給出了相關重要部件的實現(xiàn)方法。實際應用表明，該測試儀可以進行VGA數(shù)據(jù)線的性能測試，并具有測試速度快和準確的優(yōu)點。

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