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隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會的發(fā)展，人們對圖像顯示質(zhì)量的要求越來越高。當(dāng)今顯示技術(shù)的發(fā)展方向是大屏幕、高清晰、重量輕、平面或短管顯示，平板顯示器件正體現(xiàn)了這一特點(diǎn)。在平板顯示器件中，等離子體顯示器（PDP）以其諸多的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，正逐步成為大屏幕、高清晰度電視的首選，越來越多的人將目光投向了PDP這以超大規(guī)模集成電路與尖端工藝技術(shù)結(jié)合的新型顯示器件。其主要優(yōu)點(diǎn)有：易于實現(xiàn)大面積顯示，對角線可達(dá)60 in（1 in＝25．4mm）以上；可以實現(xiàn)全彩色顯示，利用紅、綠、藍(lán)三基色，灰度等級可以超過256級；數(shù)字化驅(qū)動；亮度高，對比度高，視角大（平板顯示器中最大），色純度好（可等同于CRT）；器件結(jié)構(gòu)及制作工藝簡單，環(huán)境性能優(yōu)異，可滿足MIL標(biāo)準(zhǔn)等。 然而由于PDP驅(qū)動方式的限制，它只接受特定格式的數(shù)字視頻信號，而現(xiàn)有的視頻信號種類豐富，有多種模擬視頻信號（如復(fù)合廣播電視信號、計算機(jī)視頻信號）和多種數(shù)字視頻信號。為了擴(kuò)大PDP的應(yīng)用范圍，就有必要在PDP整機(jī)電路系統(tǒng)中設(shè)計視頻信號接口電路，其主要功能是對各類視頻信號進(jìn)行數(shù)字化和解碼，然后對解碼后的數(shù)字信號進(jìn)行格 式變換和圖像處理，得到適合PDP顯示的高質(zhì)量的數(shù)字視頻信號。 由于現(xiàn)階段數(shù)字電視尚未普及，模擬視頻信號占據(jù)了視頻信號源的主體地位，因此模擬視頻數(shù)字化電路也就成為PDP視頻接口電路的重要組成部分，對這部分電路的研究和開發(fā)對于整套PDP顯示系統(tǒng)的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。 1 設(shè)計方案 1．1 模擬視頻信號分類 模擬視頻信號從用途來看，主要可以分為兩類：模擬電視信號和計算機(jī)視頻信號。細(xì)分一下可以有以下幾種格式： ① 復(fù)合視頻（Composite video） 復(fù)合視頻信號定義為包括亮度和色度的單路模擬信號，也即從全電視信號中分離出伴音后的視頻信號，這時的色度信號還是間插在亮度信號的高端。由于復(fù)合視頻的亮度和色度是間插在一起的，在信號重放時很難恢復(fù)完全一致的色彩。這種信號信號帶寬較窄，一般只有水平240線左右的分解率。目前世界各國使用多種不同的復(fù)合視頻信號格式，主要有：NTSC（National Television Systems Committee），PAL（Phase Alternation Line），SECAM（SystemElectron－ique Color Avec Memories）等制式。 ② S－Video（Y／Cvideo） S－Video是一種兩分量的視頻信號，它把亮度和色度信號分成兩路獨(dú)立的模擬信號，用兩路導(dǎo)線分別傳輸并可以分別記錄在模擬磁帶的兩路磁跡上。這種信號不僅其亮度和色度都具有較寬的帶寬，而且由于亮度和色度分開傳輸，可以減少其互相干擾，水平分解率可達(dá)420線。與復(fù)合視頻信號相比，S－Video可以更好地重現(xiàn)色彩。 ③ 計算機(jī)模擬視頻信號（VGA，SVGA，XVGA，SXGA信號） 計算機(jī)模擬視頻信號是由計算機(jī)顯示卡輸出的，它由5路信號組成（包括分離的RGB彩色信號和VS、HS同步信號），從最早的CGA發(fā)展到現(xiàn)在VGA、SVGA等制式，具有多種分辨率格式。 1．2 模擬視頻信號數(shù)字化原理 模擬視頻信號數(shù)字化的基本步驟是取樣（Sam－pling）、量化（Quantization）和編碼（Coding）。根據(jù)Nyquist定理，取樣頻率必須大于信號帶寬的兩倍，才能從取樣信號中完全恢復(fù)原信號。以對PAL制電視信號進(jìn)行數(shù)字化為例，它的取樣頻率常采用彩色副載波的二倍或四倍，即13．29 MHz或17．72 MHz。取樣頻率必須與副載波連鎖，這是為了避免因差拍而產(chǎn)生干擾，從而增加復(fù)原圖像的噪聲。 通過取樣，把模擬信號變?yōu)闀r間上離散的脈沖信號。這些脈沖信號的幅度仍然是模擬的，因此還必須對模擬幅度進(jìn)行離散化處理，才能用數(shù)碼來表示其幅值。這種對幅值進(jìn)行分級，并按每級進(jìn)行舍零取整的過程叫作量化。 把量化后的信號，轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼脈沖，這一過程被稱為編碼。然后用n個比特的二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的取樣值。每一個二進(jìn)制數(shù)字字節(jié)對應(yīng)一個量化值，再經(jīng)過排列后得到由二值脈沖組成的數(shù)字信息流。 在對模擬信號進(jìn)行取樣時，取樣頻率必須與輸入信號之間保持一定的相位關(guān)系，這就需要把取樣時鐘與輸入信號鎖相。 此外，在模擬信號數(shù)字化電路中還必須很好的從輸入信號中分離出行場同步信號等控制時鐘，將它們和數(shù)字化后的視頻信號一起送入下一級處理單元。 1．3 方案的選擇 對于模擬視頻信號的數(shù)字化處理，方法之一是根據(jù)不同的輸入信號格式和輸出精度要求，挑選合適的視頻A／D芯片，然后配以時鐘分離同步器，鎖相環(huán)，濾波器等電路，組成完整的模擬視頻信號數(shù)字化電路，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉。然而它的缺點(diǎn)也很明顯，這樣設(shè)計的電路配置復(fù)雜，設(shè)計過程煩瑣，精度難以保證，同時輸出的數(shù)字信號格式也比較單一，很難滿足PDP對圖像高質(zhì)量和系統(tǒng)電路高度集成化的要求。 隨著由于VLSI及視頻處理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在業(yè)界已有較多的單片數(shù)字解碼芯片解決方案，通常這些芯片只需要配合很少的外圍電路，便能實現(xiàn)視頻信號從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，而且它們可以通過控制接口，由用戶方便地實時調(diào)整其內(nèi)部參數(shù)，以適應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換要求。因此在設(shè)計視頻信號數(shù)字化電路時，采用現(xiàn)成的視頻處理芯片，可以大大縮短開發(fā)時間，提高電路的集成度，保證輸出精度的穩(wěn)定性。全球各大半導(dǎo)體公司都提供了多種視頻數(shù)字化處理芯片，有PHILIPs公司的SAA7110系列，三星公司的KSO127系列，Genesis公司的GmD2000系列等。各類視頻數(shù)字化芯片的主要區(qū)別在于：信號輸入端口的多少、A／D轉(zhuǎn)換器的精度、A／D轉(zhuǎn)換速率和支持的輸出格式等。根據(jù)PDP對視頻信號的處理要求，通過對各款視頻處理芯片的性價比進(jìn)行的比較，我們決定采用TI公司的THS8083和PHILIP公司的SAA7111A分別作為計算機(jī)模擬視頻和CV／S－Video的數(shù)字化處理芯片。 1．4 數(shù)字化處理芯片性能簡介THS8083有以下主要特點(diǎn)： ① 三路數(shù)字轉(zhuǎn)換通道，在其內(nèi)部可以獨(dú)立的進(jìn)行嵌位控制，自動增益控制和8 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換； ② 既可獨(dú)立獲得行、場同步信號，也能實現(xiàn)從Y／G信號中的行、場同步信號的自動檢測和分離，并且行同步信號的起始和結(jié)束位置均可根據(jù)需要進(jìn)行編程控制。片內(nèi)可以產(chǎn)生13～95 MHz的時鐘，通過數(shù)字PLL鎖定行同步； ③ 提供數(shù)種數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出格式，可以根據(jù)不同的需要選擇合適的格式； ④ 可以通過編程控制，實現(xiàn)多種分辨率和刷新率的模擬視頻信號向數(shù)字圖像信號的轉(zhuǎn)換； ⑤ 提供專門的數(shù)據(jù)時鐘輸出，可以方便的鎖定輸出的數(shù)據(jù)。 SAA7111a視頻輸入處理器有以下主要特點(diǎn)： ①可編程選擇4路視頻輸入中的一路或兩路組成不同的工作模式，在其內(nèi)部有兩路模擬視頻信號處理通道，可進(jìn)行靜態(tài)增益控制或自動增益控制，兩路8 bit的A／D； ②可對芯片編程進(jìn)行白電平控制、抗混疊濾波、梳狀濾波； ③能實現(xiàn)行同步、場同步信號的自動檢測、分離，并且行同步信號的起始位置與結(jié)束位置均可根據(jù)需要進(jìn)行編程控制，片內(nèi)產(chǎn)生的時鐘通過數(shù)字PLL鎖定行同步； ④場頻50 Hz或60 Hz自動檢測，并自動在PAL和NTSC之間自動切換，并能對不同輸入制式的亮度信號、色度信號進(jìn)行處理，并實現(xiàn)亮度，色度和飽和度的片內(nèi)控制； ⑤可方便使用不同的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)輸出格式。 2 硬件電路設(shè)計 在確定了模擬視頻信號數(shù)字化的電路的設(shè)計方案后，我們就設(shè)計了如圖1所示的系統(tǒng)電路。下面將介紹電路的各個主要組成部分的設(shè)計。 2．1 模擬視頻輸入接口設(shè)計： 復(fù)合電視信號是通過標(biāo)準(zhǔn)的BNC接口接入電路板，然后經(jīng)過匹配電阻和耦合電容輸入到SAA7111a的相應(yīng)端口。 S－Video信號是通過標(biāo)準(zhǔn)的S端子接口接入電路板，分離的一路Y和一路C信號同樣經(jīng)過匹配電阻和耦合電容輸入到SAA7111a的相應(yīng)端口。 計算機(jī)模擬視頻信號是通過標(biāo)準(zhǔn)的15針顯示接口接入電路板，在輸入的5路信號中，R／G／B三路信號可以經(jīng)匹配電阻和耦合電容接入THS8083的相應(yīng)端口，而根據(jù)THS8083時鐘端口的需要，HS和VS信號必須通過5～3．3 V的電平轉(zhuǎn)換和緩沖后接入相應(yīng)端口（如圖2所示）。 THS8083和SAA7111a都是3．3 V器件，而系統(tǒng)的主控芯片AT89C51是5 V器件，因此電路必須同時有5 V和3．3 V的電源來供電。我們在電路中僅從外界獲得5 V的電源，然后利用LM317設(shè)計了5～3．3 V的電源轉(zhuǎn)換電路，用來作為兩款視頻處理芯片的3．3 V電源。需要注意的是雖然SAA7111a是3．3V器件，但是它的存儲器控制單元確必須是5 V供電，因此要使其正常工作，必須提供一路5 V電源線路輸入到相應(yīng)端口中（管腳1）。 2．3 主控電路設(shè)計 兩款視頻處理芯片都是按I2C總線標(biāo)準(zhǔn)控制的。在主控電路中可以選擇使用專用的I2C控制芯片，然而用單片機(jī)模擬I2C總線控制十分方便，電路簡單，同時成本低廉，因此系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C51模擬I2C總線控制。由于AT89C51的P1口還內(nèi)置了上拉電阻，因此我們用P1．6和P1．7口分別輸出的SCL（時鐘信號）和SDA（數(shù)據(jù)信號）可以直接接入到芯片的相應(yīng)端口中。為了提高單片機(jī)的穩(wěn)定性，我們還設(shè)計了單片機(jī)的抗干擾復(fù)位電路，如圖3所示。 在模擬視頻信號數(shù)字化電路中，既有模擬信號，又有數(shù)字信號，既有高頻信號，又有低頻信號，這是個容易出現(xiàn)干擾問題的系統(tǒng)。而一旦出現(xiàn)干擾，將大大降低信號處理的精確度，為下一級的處理帶來困難，從而影響整個PDP視頻接口電路的性能，因此必須加強(qiáng)電路的抗干擾能力。 在具體的電路實現(xiàn)中我們主要采取了以下幾種方式來提高電路的抗干擾能力： ①合理地分開電路的數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)，以減少數(shù)字電路通過電場耦合的干擾； ②電路設(shè)計中采用線性電源供電，并加接了必要的濾波電路，以有效的減少電源紋波，抑制電源干擾，從而提高電路的信噪比； ③采用雙面印刷電路板布線技術(shù)和低阻抗的大面積布地，以保證電路的接地、屏蔽和隔離良好，同時減少電路體積；印刷板布線時，信號線盡可能 短、直，盡可能使拐角圓滑，以減小寄生電容； ④電路中多處使用抗干擾器件，比如在IC的電源處都增加了接地的旁路電容等。 3 軟件控制設(shè)計 THS8083和SAA7111a都是以PC機(jī)作為開發(fā)平臺的視頻圖像處理芯片，其所有的編程功能都是通過I2C總線向內(nèi)部的寄存器相應(yīng)的控制位置寫入相應(yīng)的代碼來完成的。典型的開發(fā)系統(tǒng)如圖4所示（實際開發(fā)中可以用單片機(jī)或者CPLD代替PC機(jī)模擬實現(xiàn)I2C總線控制）。圖4中，SDA為雙向數(shù)據(jù)線，SCL為時鐘線，由PC機(jī)產(chǎn)生，最高頻率可以達(dá)到400 kHz（即工作在I2C總線快速模式下），需要注意的是如果THS8083輸出的DTOCLOCK小于25 MHz，則SCL只能工作于I2C總線的正常模式下（SCL頻率此時最高可以達(dá)到100 kHz）。SCL和SDA通過上拉電阻與VCC相連以增加負(fù)載驅(qū)動能力。SDA在SCL的配合下，可以完成PC向寄存器寫入數(shù)據(jù)的操作，也可以從寄存器里讀出數(shù)據(jù)。 在實際開發(fā)中，我們采用AT89C51單片機(jī)模擬I2C總線，控制和改變芯片的工作方式。其單片機(jī)程序流程圖如圖5所示，需要注意的是芯片的寄存器有些是只讀的，有些是保留未使用的，在改寫所需寄存器單元時，必須嚴(yán)格按照I2C總線的操作要求才能正確的控制芯片正常工作。 芯片經(jīng)過單片機(jī)配置后，就可以從模擬視頻信號接口接受相應(yīng)的模擬信號，經(jīng)過內(nèi)部數(shù)字化處理，輸出所需格式的數(shù)字視頻信號和控制時鐘到下一級處理單元。 4 結(jié)束語 本文主要介紹了一套為PDP設(shè)計地模擬視頻數(shù)字化電路，它分別利用THS8083和SAA7111a實現(xiàn)計算機(jī)視頻信號和CV／S－Video信號的解碼和數(shù)字化，并支持包括PAL、NTSC、VGA、SVGA等在內(nèi)的多種視頻制式和分辨率。作為一個完整的視頻圖像采集系統(tǒng)的重要部分，它已經(jīng)被應(yīng)用到等離子體顯示器（PDP）視頻接口電路中。 |
