宮海波,徐 茜,朱鴻翔

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

一種多功能視頻信號源設(shè)計(jì)

宮海波,徐 茜,朱鴻翔

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

針對目前視頻信號源功能單一的現(xiàn)狀，提出了一種便攜式多功能視頻信號源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案;詳細(xì)闡述了信號源系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，方案基于便攜式、多功能、可靠性三方面的考慮，設(shè)備采用AMD的APU芯片平臺，減少了FPGA資源消耗，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，配套軟件采取模塊化設(shè)計(jì);視頻信號源可提供多種制式的測試圖像，同時(shí)可根據(jù)特定要求產(chǎn)生特殊制式或信號，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該多功能信號源系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、使用便捷，滿足設(shè)計(jì)需求。

飛行試驗(yàn)；多功能；視頻信號源；FPGA

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國航空事業(yè)也進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段，飛行試驗(yàn)過程中對視頻信號采集、記錄的測試已經(jīng)非常廣泛[1]。隨著視頻傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻信號采集系統(tǒng)的研究變得更加重要，在視頻測試系統(tǒng)搭建過程中，需要滿足測試系統(tǒng)輸入要求的視頻信號，針對復(fù)雜的視頻設(shè)備及各項(xiàng)指標(biāo)，就需要有不同種類及制式的視頻信號[2-4]。目前國內(nèi)常見的視頻信號源多是功能單一的設(shè)備，無法完成多類型、多通道視頻信號的動態(tài)轉(zhuǎn)換，無法滿足目前測試需求。

本文在滿足測試需求的基礎(chǔ)上，提出了一種便攜式多功能視頻信號源設(shè)計(jì)，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS輸出能力，在操作系統(tǒng)和相應(yīng)圖形驅(qū)動程序下可以定制各種分辨率及刷新率的輸出，支持OpenGL圖形庫，從而可實(shí)現(xiàn)多類型、多通道視頻信號的動態(tài)轉(zhuǎn)換多功能信號源。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

多功能視頻信號源由機(jī)箱、控制面板以及功能模塊構(gòu)成，前端操作由控制面板實(shí)現(xiàn)，控制面板通過開關(guān)量控制電源管理模塊開啟和關(guān)閉信號源電源，通過軟件界面和功能按鈕控制視頻信號源產(chǎn)生某種分辯率的視頻輸出，通過串口控制模擬視頻變換緩沖模塊，將視頻信號變換為產(chǎn)生某種格式的模擬視頻輸出，通過串口控制數(shù)字視頻變換緩沖模塊，將視頻信號變換為產(chǎn)生某種數(shù)字視頻接口模式，并調(diào)整設(shè)定的某種幀場刷新速率，進(jìn)而完成所需視頻輸出。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

為了實(shí)現(xiàn)盡可能多的分辨率和刷新率以及輸出格式要求，設(shè)備采用基于X86架構(gòu)的顯卡作為視頻源，采用AMD的APU芯片平臺，減少了FPGA資源消耗，簡化了硬件電路設(shè)計(jì)，從而帶來較低的功耗和發(fā)熱量，該架構(gòu)也減弱了軟件算法的工作量[5]。與傳統(tǒng)的x86中央處理器相比，AMD APU的“異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)”，即單芯片上兩個(gè)不同的架構(gòu)進(jìn)行協(xié)同運(yùn)作，使它變得更易于編程、更易于進(jìn)行性能優(yōu)化、負(fù)載資源更易于平衡、更高的性能以及更低的能耗。

APU的GPU圖形核心部分基于DX11獨(dú)立顯卡，支持Direct 3D和OpenGL，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS輸出能力，在操作系統(tǒng)和相應(yīng)圖形驅(qū)動程序及ADL(AMD Display Library,AMD圖形顯示支持庫)支持下可以定制各種分辨率及刷新率的輸出。

2 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備所依托的硬件環(huán)境采用AMD低功耗主板，功能板設(shè)計(jì)為3U 結(jié)構(gòu)的板卡，通過母板把各個(gè)功能板連接在一起。設(shè)備采用AMD工控主板、相應(yīng)的3U功能板卡及其驅(qū)動軟件、配置管理軟件、視頻信號產(chǎn)生軟件、視頻格式控制軟件、視頻輸出接口等組成。

其中，AMD工控主板由APU、南橋、SIO、固態(tài)硬盤等組成，外部設(shè)備包括觸摸屏及顯示器、面板控鍵、USB、RS232、RJ45、DVI顯示輸出、音頻輸出等。

3U功能板包括視頻格式變換板、電源及充放電管理板、視頻輸出接口板，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視頻的格式變換、電源供電及電池充放電管理、為視頻輸出提供標(biāo)準(zhǔn)的對外硬件接口。

AMD工控主板運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)，運(yùn)行配置管理軟件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對各個(gè)信號輸出板的配置管理，AMD工控主板通過VGA與LCD顯示器連接，通過USB與觸摸板及面板按鍵連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。RJ45網(wǎng)口主要用于軟件的調(diào)試與升級以及參數(shù)的配置。在視頻產(chǎn)生軟件的控制下產(chǎn)生原始視頻信號通過DVI接口輸出給視頻格式變換板，并通過RS232接口與視頻格式變換板通信，控制視頻格式變換板把DVI信號轉(zhuǎn)換成希望的視頻格式輸出。

2.1 視頻信號發(fā)生模塊設(shè)計(jì)

視頻信號發(fā)生模塊采用AMD公司的融合式處理器APU(CPU+GPU)，在一張芯片上同時(shí)集成了低功耗的CPU和先進(jìn)的GPU，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS輸出能力[6]，在操作系統(tǒng)和相應(yīng)圖形驅(qū)動程序下可以定制各種分辨率及刷新率的輸出，支持OpenGL圖形庫,負(fù)責(zé)視頻原始信號的產(chǎn)生，為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行所需的硬件平臺。視頻信號發(fā)生模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 視頻信號發(fā)生模塊原理圖

視頻信號發(fā)生模塊(APU主板)是視頻信號源的核心，主要由APU、南橋、SIO、固態(tài)硬盤等組成。負(fù)責(zé)視頻原始信號的產(chǎn)生，為應(yīng)用軟件提供運(yùn)行所需的硬件平臺。

操作系統(tǒng)中利用GPU對應(yīng)的驅(qū)動程序和顯卡庫函數(shù)支持，可以最大限度的操作GPU中的流處理器的視頻生成功能，從而可以做到支持多種格式視頻輸出的要求。

2.2 視頻格式變換模塊設(shè)計(jì)

視頻格式變換模塊接收視頻信號發(fā)生模塊的DVI格式原始視頻信號，把收到的DVI信號經(jīng)SiI161數(shù)字化成RGB三色的數(shù)字信號供FPGA幀存。FPGA把幀存后的信號根據(jù)用戶要求轉(zhuǎn)換成各種需要的格式和各種分辯率輸出，如復(fù)合視頻PAL和NTSC、VGA、HDMI/DVI、LVDS等，通過視頻總線送給視頻輸出接口板，轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)視頻硬件接口對外輸出,視頻格式變換模塊原理圖如圖3所示。

圖3 視頻格式變換模塊原理框圖

視頻格式變換模塊部分，采用ALTERA公司的高性能EP3C40系列的可編程邏輯陣列FPGA芯片[7-9]，具有低功耗、高性能，負(fù)責(zé)幀緩存、視頻格式轉(zhuǎn)換、視頻輸出等簡單功能，減小功耗的同時(shí)減少發(fā)熱量[10]。視頻格式變換模塊主要由DVI輸入接口電路、復(fù)合視頻PAL和NTSC輸出接口電路、VGA輸出接口電路、HDMI/DVI輸出接口電路、LVDS輸出接口電路、幀存儲電路等組成。模擬視頻變換緩沖模塊采用FPGA+幀存數(shù)字視頻處理電路和視頻D/A，輸出各種模擬視頻信號。數(shù)字視頻變換緩沖模塊將視頻信號發(fā)生模塊的輸出(Display Port)轉(zhuǎn)換為DVI、HDMI和LVDS接口標(biāo)準(zhǔn), 并采用FPGA+幀存數(shù)字視頻處理電路改變幀/場刷新速度。

2.3 電源及充放電管理模塊設(shè)計(jì)

電源及充放電管理模塊負(fù)責(zé)AMD工控主板、視頻格式變換模塊、視頻輸出接口模塊的供電，并對電池充放電管理。與AMD工控主板用RS232進(jìn)行通信，把電池電量等信息和狀態(tài)回傳給主板，電源及充放電管理模塊把電源輸入為24 V～32 V DC，采用DC-DC開關(guān)電源集成電路，輸出+5 VDC/3 A和+3.3 VDC/3 A等電壓供其它電路板使用，并負(fù)責(zé)對電池充放電管理、過壓欠壓保護(hù)等，電源及充放電管理模塊原理圖如圖4所示。

圖4 電源及充放電管理模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

多功能視頻信號源的控制界面部分的軟件采用C語言在GCC平臺上開發(fā)，F(xiàn)PGA程序采用Verilog HDL,在Quartus II平臺上開發(fā)。多功能視頻信號源整體軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多功能視頻信號源軟件架構(gòu)

控制界面軟件包括：主界面控制模塊、視頻源控制模塊、串行通訊模塊和音頻輸出控制模塊及電源管理等部分組成。

FPGA包括：DVI輸入模塊、幀緩存模塊、視頻格式轉(zhuǎn)換模塊、視頻輸出模塊和串行通訊模塊及故障自檢模塊。FPGA程序軟件主要流程，設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 FPGA軟件流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

飛行試驗(yàn)中對便攜式多功能視頻信號源進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，視頻信號源根據(jù)測試需求，可以完成各種需要的格式和各種分辯率輸出，如復(fù)合視頻PAL和NTSC、VGA、HDMI/DVI、LVDS等，最大分辨率:2 048*2 048。

該視頻信號源使用便捷，工作穩(wěn)定性好，可提供多種制式的測試圖像，同時(shí)可根據(jù)特定要求產(chǎn)生特殊制式或信號。

5 結(jié)束語

本文提出了一種便攜式多功能視頻信號源設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了信號源系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，信號源可提供多種制式的測試圖像，同時(shí)可根據(jù)特定要求產(chǎn)生特殊制式或信號，可以廣泛適用于視頻測試領(lǐng)域，該套視頻信號源已經(jīng)成功應(yīng)用于飛行試驗(yàn)視頻測試中，系統(tǒng)采用模塊化與通用化的設(shè)計(jì)思路，對其他領(lǐng)域的應(yīng)用也有一定的參考價(jià)值。

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Design of a Portable Multifunctional Video Signal Source

Gong Haibo, Xu Qian, Zhu Hongxiang

(Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089,China)

Aiming at the current status of the single video signal source, a new design scheme of portable multi function video signal source system is proposed. Described in detail the hardware and software design of the signal source system scheme based on consideration of the portable, multi function, reliability, the equipment adopts the AMD APU chip platform, reduce the FPGA resource consumption, simplify the design of the hardware circuit and software supporting adopted modular design. Video signal source can provide a variety of standard test images, at the same time, according to specific requirements to produce a special standard or signal. The experimental results show that the system has good stability, high reliability and convenient use, and can meet the design requirements.

flight test; multi function; video signal source; FPGA

2016-04-11；

2016-04-29。

宮海波(1982-)，男，工程師，陜西西安人，碩士研究生，主要從事機(jī)載測試技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)07-0304-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.082

TB22

A