（电路与系统专业论文）拼接式等离子体显示系统SVideoCVBS接口电路及图像处理与驱动电路的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 自上世纪9 0 年代开始，平板显示器件( f p d ) 受到越来越广泛的关注。 经过十余年的发展，平板显示器件已渗透到人们生产生活的许多方面。在手 提电脑、p d a 和手杌等领域。液晶显示屏( l c d ) 以其“小轻薄”、低功耗、 高画质的特点而独占鳌头；在大屏幕显示方面，等离子体显示屏( p d p ) 以 其大视角、高对比度、高分辨率等优势而显示出越来越强的竞争力。 平扳显示器件的发展也推动了与其配套的显示系统的发展。显示系统通 常是围绕着某种特定的显示器件而设计的，一般可以分为接口电路、图像处 理电路、驱动控制电路和显示器件四个部分。接口电路决定了显示系统对不 同格式信号的兼容性：图像处理电路将输入信号转换成符合驱动电路要求的 格式和时序：驱动控制电路是与显示器件结合最为紧密的一部分，对系统稳 定性，图像质量，显示效果等都产生直接影响。 本文涉及了以平板显示器件为核心的显示系统设计的几个主要方面。在 成功实现一套配备s v i d e 们v b s 接口的l c d 显示系统的基础上，论文对平 板显示器件s v i d e q ，c v b s 接口电路设计做了分析和总结。在图像处理电路 方面，文中讨论了伪轮廓现象及其成因。同时提出了基于抖动算法减轻静态 伪轮廓现象的方案。文中给出了对两种抖动算法的推广，同时还对算法进行 了适当的简化，使之便于通过f p g a 硬件实现。最后，结合项目涉及的拼接 式等离子体显示屏的驱动电路，论文提出了在提高驱动电路稳定性和降低功 耗方面的一些措施，这些措施被应用在项目的设计中，并取得了很好的效果。 关键词：等离子体显示屏，s v i d e 0 c v b s 接口，抖动算法，驱动电路 论文类型：应用研究 a b s t r a c t s i n c e1 9 9 0 s ，m o r e 粕dm o f ea t t c n t i o n sh a v eb e 幻gp u to nf l a tp 粕e 1d i s p l a y r f p d ) n o w a d a y s ，f p dc a ne a s i l yb ef o u n di nl o t so fp m d u c t s l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y c d ) i sw i d e l ye m p l o y e d i l ll a p t 叩c o m p u 似。s ，p d a sa n dm o b i l ep h o n e s b e c a u s eo fi t ss m a l iv o h 瞄e ，l o wp o w c rc o n s 岫p t i o na l l dh i g h q l l a l 姆d i s p l a y e 虢c t m e 粕w h n e ，i nt l i ef i e l do fl a r g es c f e 髓d i s p l a y p l a 锄ad i 印l a yp a i l e l 口d p ) f e a t i 埘n g h 蛐c o n 仃a s 汕诎r e s o l u t i o n 粕dw i d ev i s u a l 衄g l e ，s h o w sg 嘲t a d v a n t a g e si nc o m p e t i t i o n 髓ed e s i 弘o fd i s p l a ys y s t 锄，w h i c hi s1 1 s n a l l yb a s e d 。ns p e c 瓶cd i s p l a y e q u i p m e n t ，i sp r o p e l l e db yt h ed e v e l 叩m e n to ff p d g e r a y ，ad i s p h ys y s t e m c o n s i s t so fi n t e r f k ec o n v c n i n gc i r c u i t ，i m a g e - p r o c 铭s n gc i r c u i t ，d r i v m g c o n 呐l n n gc i r c 血锄dd i s p i a ye q u i p 眦n t i n t e 豌c ec o n v e n i n gc i r c u i tm a k e s s y s t 锄c o m p a t i b l et oc e r t a i ns i g n a lf o 彻a t i m g e _ p r o c e s s i n gc i i tp r o v i d e s p r o p e rs c q u i m c e 孤di m a g es i 掣忸lf o rd r i v i n g c o n 拄o l 甑gc i r c u 吨w m c hd i r e c t l y l i n ：k st 0d i s p l a ye q u i p m e m 绷d & h o w sg r e a ti n f l u e n c eo nd i s p l a ye f i b c t 姐ds y s t 锄 s t a b i l i 啦 1 m i sd i s s e m t i o ni c h l d e ss o m ei m po 】化m t 鹊p e c t so fd i s p l a ys y s t 啊ld e s i 2 mb a s e d o nf p d f i r s t ，a na n a l y s i si s 画v e no nh o wt 0d e s i g 皿a ni n t c m c ec o n v e r t i l l g c i p c i l i t 锄da l s oa ni n l d l e n l t a t i o no fs v i d e 0 c v b si m e r f k e 氨) rl c di s 懿p l a i n e di i ld e t a i l i n 也i sd i s s e r a n o n ，d i m 晌ga l g o r i 也mi si n 仃0 d u c e dt 0s o l v e “盘l s ec t o u r ”ap h e n 嘲e n o na p p e a r sw h e nt h eg m y a kl e v do f 姐i m g ei s d e c r e a s e dt w ok i n d so fd i t h e r 主n ga l g o 一廿l ma r em o d i f i e da n ds i m p l 桶e df o rt h e i m p l c m t a t i o no naf p g a f i 弛l l y g e t t i n ge x p e r i e n c ei l l 吐他d e s i 皇皿o fap d p d r i v i n gc i r c u i t ，s e v e r a l 印p r o h e sa mg i v e no ni m p r o v i i l gs y s t c ms 诅b i l 时a i l d c u t t i n gd o w np o 、聊c o n s u m p t i o n k e y w o r 出： p l 粘m ad i s p l a yp 柚e l 口d p ) ，s j v i d e “c v b si n t e 商w e ，d i 也e r i n ga 培o r i t l l n 】， d r i v i n gc i r c u i t t y p eo ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 致谢 首先要衷心感谢我的导师沈继忠教授。感谢沈老师在这两年中对我的教 诲和给我的关心。沈老师不但给我们创造了良好的试验和研究的平台，而且 营造了积极自由的实验室氛围，让我不但有动手实践、锻炼自己的机会，更 可以从指导老师和师兄师弟那里获得许多让我受益匪浅的经验。沈老师既重 视对我们进行宏观上的指导，又在细节上一丝不苟地严格要求。从沈老师那 里获得的很多东西将使我一生都受益不尽。 感谢赵武峰老师，感谢他一直以来对我耐心细致的指导。赵老师在系统 设计和调试方面的丰富经验让我深深折服，他的许多启发性的观点正是本文 思路的来源。感谢彭飞师兄和陈伟师兄，正是由于他们的帮助。我才能在较 短的时间内对整个项目有了完整的理解，他们提出的一些问题也促使我不断 完善自己的设计。感谢师弟何逸越，本文第三章的很多方案都是和他热烈讨 论后的结果。感谢实验室的所有成员，感谢他们在各个方面给我的帮助。 最后，深深感谢我的父母。感谢他们对我一如既往的支持和鼓励。他们 的辛劳和付出让我有了今天，他们的爱是我成长和前进的动力。 刘承成 2 0 0 6 年5 月于求是园 第一章 1 1 引言 绪论 有研究分析了人们通过不同感觉器官获取信息的比例，由视觉获得的信 息占总量的6 0 ，听觉占2 0 ，触觉占1 5 ，味觉3 ，嗅觉2 眠可见， 视觉是人类接收信息的最主要方式。信息时代不但带来了的巨大信息量，更 要求现代人迅速高效地接受各种信息。在这种环境下，为视觉服务的显示技 术自然受到了越来越多的关注。在我国，显示技术及其相关产业的产值占信 息产业总产值的4 5 左右【j 】。 显示技术是指将各种信息以文字、符号、图形、图像的形式付诸于人的 视觉的技术。它将来自图像的光信号或其他有特定意义电信号进行转化处理 之后，再通过某种显示器件转变为人眼可以接受的光信号。 显示技术一般可分为直接显示( d i r e c tv i e w ) 和投影显示( p r o j e c t i o n d i s p l a y ) 两大类。直接显示主要包括阴极射线管显示( c r 丁) 、液晶平板显示 ( l c d ) 、等离子体显示( p d p ) 、发光二极管显示( l e d ) 、电致发光管显示( e l ) 、 场致发光管显示口e d ) 、真空荧光显示( v f d ) 等。投影显示的主要类型有c r t 投影显示、l c d 投影显示、l c l v 投影显示等f “】。 显示技术需通过特定的显示系统来实现。显示器件的多样化推动了对显 示系统设计的深入研究。一般而言，一个完整的显示系统应包括视频接口电 路、图像处理电路、驱动电路( 显示控制器) 和显示器件这几大部分，如图 1 1 所示。 绪论 墩 图像 一驱动 卜显示 ；矿1 7 恹u 处理 由昭 1 。 电路 器件 毯_ 电路 圈1 1 显示系统框田 图1 1 中虚线框内的四个部分既紧密相关又相互制约，构成一个有机整 体。每一部分所使用的设计方案都会对前后级电路的设计产生影响，所以， 在整体设计时必须做出全面权衡，才能找到最佳方案。一般而言，显示系统 的设计都是围绕着某种特定的显示器件而展开的；同时，不同的显示系统在 接口电路和图像处理电路的结构上存在许多共性。因而，在确定设计方案时， 通常采用从后向前的顺序，即首先要研究显示器件的特性，根据其特性确定 驱动电路方案，然后综合考虑接口电路和图像处理电路，以保证提供给驱动 电路合适的控制信号和像素信息。 显示系统的整体设计也是在显示效果、开发周期、成本等诸多方面综合 平衡的过程，必须慎重权衡才能够获得最佳方案。 1 2 拼接式等离子体显示系统结构 本项目所使用的显示器件是拼接式等离子体显示屏( t i t l es c r e e np l a s m a d i s p k i yp 姐e l ，t s p d p ) 。等离子体显示屏( p d p ) 的工作原理是：在电场的 作用下，利用惰性气体放电产生的紫外光激发三基色荧光粉，再利用空间混 色即可表达不同的色彩。根据结构和工作方式的不同，等离子体显示屏可分 为“电极覆盖有介质的交流型”( a c p d p ) 和“电极暴露于放电空间的直 绪论 流型”( d c p d p ) 两大类【5 】。项目中所使用的显示屏样机是由浙江大学研制的 “双基板型无缝拼接式a c p d p j ，【6 j 。 驱动电路是和显示器件结合最为紧密的部分，显示器件的物理结构和工 作原理直接决定了驱动电路的设计方案。 双基板型t s p d p 采用“刷新型”的驱动方法，它不需要设置专门的写入擦 除脉冲驱动器和维持脉冲驱动器。它采用逐行扫描的方案，即只需要行扫描 和列锁存两个信号。这两个信号共同作用，在行列交叉点产生交流激励信号， 使气体电离发出紫外线，激发荧光粉发光。采用“刷新型”的驱动方案，电路 相对较为简单，电源使用效率高，但是由于没有发挥彩色a c p d p 的存储特 性，其显示亮度受到了扫描线数的制约。为了提高显示亮度，驱动电路必须 工作在高频环境，且需要提供高压驱动【刁。 在本项目中，驱动电路除了要满足a c p d p 的发光原理外，还必须考虑 “拼接式”结构带来的影响。项目中使用的是由1 2 块子屏构成的样机，即在 横向上形成了3 个分区，每个分区4 块子屏。对于同一个分区的子屏，驱动 电路必须保证所有列信号就位之后才给出行驱动信号：对于不同分区，驱动 电路必须保证行有效信号间的同步。 视频接口与图像处理电路是显示系统中非常重要的环节，糟心设计的接 口电路和图像处理电路可以使显示系统具有更好的兼容性、优秀的驱动性能 和出色的图像质量。 接口电路的作用是处理某种格式的视频信号( 如d ，v g a ，s v j d e o 等) ，抽取其中的控制信号和像素信息，并把这些信息以适当的格式提供给 后级电路处理。由于p d p 采用的是逐行扫描的策略，且每个像素由红绿蓝三 种电极构成，所以希望接口电路提供r g b 三个分量的信息。视频接口电路 还需要提供场同步、行同步、点时钟等控制信号。 图像处理电路根据显示系统应用场合的不同其功能也会有所变化。在本 项目中，考虑到信息传输、电路处理能力和显示屏性能等因素，图像处理电 路首先要实现“降频处理”；为了将输入的有效信息裁剪至符合t s p d p 要求 的大小，图像处理电路须完成“图像裁剪”；图像处理电路还需要对信号做 分离子场处理以实现灰度控制，最后，为满足分屏显示的要求，需对输入的 绪论 图像进行分割并将不同区块的信息传送至不同区块的驱动电路。 本实验室先期的工作已经实现了一套配备d 接口的等离子体显示系 统，这套系统的图像处理电路在下文中被称为原图像处理电路，该系统采用 的图像处理算法被称为原图像处理算法，该系统的驱动电路在下文被称为原 驱动电路。 1 3 常用视频信号 显示系统设计中一个必须考虑的问题就是，该系统可以接受哪一种或几 种视频格式，这直接影响到系统的适应性和使用范围。常用的视频信号可以 分为模拟视频信号和数字视频信号。从目前普及率的角度考虑，模拟信号占 有绝对优势；近年来，随着数字技术的发展，数字视频信号在发送、传输、 接收和处理等领域也有了长足的进步。 一、复合视频( c o m p o s i t ev i d e ob 肺a d c a s ts i 聃蚰，c s ) 由于电视机的普及，五六十年代发展起来的复合视频信号无疑是使用最 为广泛的视频信号之一。复合视频信号又可细分为n t s c 、黜l 、s e c a m 等 不同制式【8 】，但都遵循如下定义：复合视频信号是包括亮度和色度的单路模 拟信号，也即从全电视信号中分离出伴音后的视频信号。复合视频信号的色 度信号间插在亮度信号的高端，其频谱示意图如图1 2 所示。 阿7门 。 44 3 6b 5 豳l 2 我国彩色电视信号频谱交请示意圉 复合视频信号的优点是实现了音频和视频的分离传输这就避免了音频 视频干扰而导致的图像质量下降。但由于复合视频信号的亮度和色度是间插 在一起的，在信号重放时很难恢复完全一致的色彩。其信号带宽较窄，一般 4 绪论 只有水平2 4 0 线左右的分解率”。由于视频信号中已不包含伴音，故与视频 输入输出端口配套的还有音频输入输出端口( a m d i o h 1 、a u d i o 一0 u t ) ，以 便同步传输伴音。因此，复合视频接口也被称为a v ( a u d i ov i d e o ) 接口。 二、s d e o 信号( s e p a r a t e d d e o ) s d e o 接口标准于1 9 8 7 年由日本公司开发推出，后被全世界各大视频 产品制造商采用。s d e o 是一种两分量的视频信号，它把亮度和色度信号分 成两路独立的模拟信号，不仅使亮度和色度都具有较宽的带宽，而且由于亮 度和色度分开传输，减少了其互相干扰。其水平分解率可达4 2 0 线1 9 】，与复 合视频信号相比，s - d e o 可以更好地重现色秽”】。 其优点是，由于不进行亮度色度( 即y c ) 混合传输，因此也就无需再进 行亮色分离和解码工作，而且使用各自独立的传输通道在很大程度上避免了 视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度。一般 认为，s d e o 的失真只有在严格的广播级视频设备下进行测试才能被发现。 s v i d c o 虽不是最好的，但考虑到市场状况和综合成本等其它因素，它还是应 用最普遍的视频接口之一【l ”。 三、分量视频信号( c o m p o n e n t d e os i g 蚰1 ) 分量视频信号是指每个基色分量独立传输的视频信掣“】。分量信号通常 包括3 路，即“l 路亮度信号( y ) 和2 路色差信号( u ，v ) ”或“r g b 3 路信号”。 号【12 1 。 i y = o 2 9 9 r + o 5 8 7 g + 0 1 1 4 占 u = _ 0 1 4 7 r o 2 8 9 g + o 4 3 6 口( 1 1 ) i 矿= 0 6 1 5 r o 5 1 5 g 一0 1 0 0 b 绪论 l r = y + 1 1 4 矿 g = y 一0 3 9 u 一0 5 8 y 1 日= y + 2 0 3 u ( 1 2 ) 四、计算机模拟视频信号( v i d e o - g r 叩h i c - a r r a y ，v g a ) v g a 格式与计算机显示器的发展密切相关。1 9 8 7 年，i b m 为支持其 6 4 0 + 4 8 0 像素的1 6 色显示器，推出了v g a 标准【1 3 】。此后，v g a 标准不断发 展，出现了支持8 0 0 6 0 0 像素的s v g a ，以及支持1 0 2 4 + 7 6 8 像素的x g a 。这 些标准最终得到了v e s a ( 视频电子学标准化学会) 的确认，成为计算机显 示接口的基本标准。随着科技和社会的发展，计算机越来越普及，而作为计 算机c r t 显示器标准的v g a 也就理所当然地成为一种重要的视频格式。 五、d 格式( d i g i t a iv i s u a ii n t e m c e ，d ) d 标准是由s i l i c o ni m g e ，m t e l ，c o m p a q ，i b m ，h p ，n e c ，f u j i t s u 等公司共同组成的数字显示工作组( d i 酹t a ld i s p l a yw o r k i n gg r o u p ，d d w g ) 于1 9 9 9 年4 月推出的数字显示接口标准【1 4 】。d 采用喇d s ( t 姗s i t i 一m i n i m i z e dd i 侬鹏耐a is i 驴a l i n g ，转化最小化差分信号) 传输信 号。d 标准为大型数字显示器提供了足够的带宽，只用单个n d d s 连接器就 可以达到1 6 5 g b i 讹的传输速率。它极有希望成为平板显示界的通用标准数字 接口【1 5 “”。 1 4 本课题的意义和主要工作 作为拼接式等离子体显示系统整机研究的一部分，本课题的着眼点在于 显示系统中的接口电路、图像处理电路和驱动电路这三个方面。 一、接口电路：提高显示系统对不同视频格式的兼容性 由1 3 节的介绍可知，c v b s 和s v i d e o 这两种视频格式的最大特点就是 绪论 应用领域广阔，信号来源丰富。有线电视、闭路电视( c c t v ) 、视频捕获都采 用复合视频信号；而s v i d e o 则是高档录像机，摄像机，影碟机的必备接口， 同时，配备s v i d c o 接口的显卡和视频设备，如模拟视频采集，编辑卡、准专 业级监视器、电视卡电视盒及视频投影设备等，当前已经比较普遍。由于实 验室先期的工作已完成了对d 和v g a 接口电路的研制，因而，实现 s d e 0 c s 接口将进一步提高项目中所使用的等离予体显示屏对视频信 号的兼容性。 在成功设计并实现一套配备s v i d e o ，c s 接口的l c d 显示系统的基础 上，论文对平板显示器件s v i d e “c v b s 接口电路的设计和实现做了分析和 总结。 二、图像处理电路t 引入抖动算法改善图像质量 在t s p d p 整机测试的过程中，我们发现，显示屏显示的图像色彩过渡不 够柔和，同种颜色不同浓淡的区域有较明显的条带现象。经过分析，判定这 是由于灰度损失而造成的静态伪轮廓现象。 论文提出了基于抖动算法减轻静态伪轮廓现象的方案。传统的抖动算法 并不能直接解决项目中的问题，论文从分析抖动算法的基本原理入手，对原 算法做了引申和推广，使之满足项目的要求。同时，为了在不改变电路结构 的情况下，在f p g a 上实现这一算法，论文还对推广后的算法做了简化，使 之宜于硬件实现。文中对b a y e r 抖动算法和f l o y ds t e i n b e 唱抖动算法分别进 行了推广。论文还给出了算法软件仿真程序的编写方法。 三、驱动电路：改进电路设计提高系统稳定性 原驱动电路存在着功耗大、稳定性不够、调试困难等问题。而且在显示 高亮度图像时，表现力较差。论文通过对原驱动电路的分析，特别是研究电 路在高频高电压下出现的效应，指出了问题的根源。并以此为依据，改进了 电路设计。改进后的驱动电路功耗大幅度降低，稳定性显著提高，显示效果 也有了改善。 第二章 平板显示器件s v i d e o c v b s 接口电路设计 2 1 配备s v i d e o ，c v b s 接口的平板显示系统设计方案 平板显示器件( f i a tp 彻e id i s p l a y ，f p d ) 是指依靠矩阵点或线段控制并 激励屏幕发光，呈现信息供视觉感受的器件。平板显示器件包括等离子体显 示屏( p d p ) 、发光二极管显示屏( l e d ) 和液晶显示屏( l c d ) 等。 从发光原理的角度考虑，l c d 属于受光型f p d ，而p d p 属于发光型f p d 。 但是，从驱动原理的角度考虑，两者是一致的。f p d 的驱动原理可作如下表 述：显示屏上的像素点对应于行电极x 和列电极y 的交叉点。在电极x l 、y l 上 施加电压，交点( x i y 1 ) 处的像素因电极间电压差的激励而发光或吸收光。 需要其它点发光肘则把电压旆加在对应的电极上。这种激励像素点的方法 称为“矩阵选址”。矩阵选址一般采用扫描方式，屏幕上所有像素被激励电压 扫描一遍就构成一帧完整的图像【1 8 】。 由上述分析可知，由于驱动原理的一致性，设计l c d 或p d p 的接口电 路和图像处理电路存在许多共通之处。另一方面，在进行规划之时，项目中 所使用的p d p 的驱动模块尚处于改进过程中，当时的电路仍不够稳定，而且 直接在需要高压驱动的p d p 显示屏上做测试也过于繁琐。基于以上考虑，本 章的电路设计是围绕一块l c d 显示屏展开的，在下文中相关的电路设计一律 称之为本设计。 s - v i d e o c s 信号是为以电视机为代表的c r t 显示器服务的，它们提 供的是隔行扫描的模拟信号，而l c d 、p d p 等平板显示器件需要的是逐行扫 描的数字信号。由此可知，在设计配备s v i d e “c v b s 接口的平板显示系统 时，需解决三个主要问题：一是实现模拟信号到数字信号的转换，并抽取出 其中的行同步、场同步等控制信号和量化后的像素信息。二是实现隔行扫描 平板显示器件s v i d e o ，c s 接口电路设计 到逐行扫描的转换，即实现奇偶场合并。三是生成相应显示器件的驱动时序。 第一个问题可以通过引入专用视频处理芯片来解决。对于后两个问题， 本设计采用的是基于f p g a 和双s r a m 组的设计方案。配备s - v i d c o c v b s 接口的l c d 显示系统的框图如图2 1 所示。 圈2 - 1 配鲁s - ，c 、，b s 接口的l c d 显示系统硬件框田 单片机8 9 c 5 l 实现对输入信号源的选择，并模拟1 2 c 总线完成对视频输入 处理芯片s a a 7 1 1 l a 的初始化配置。 f p g a 是整个系统的核心，它接收由s 从7 l l l a 解码后的像素信息和同 步信号，通过一种特殊的地址生成策略，使像素信息在保存至s r a m 时，就 完成了奇偶场的合并。即每经过两个场同步信号( 奇场和偶场) 之后。s r a m 中就保存了一帧完整的图像。本设计使用了两组s r a m ，在对其中一组s r a m 进行写操作时：另一组s r a m 正把保存在其中的信息向下一级传送。这样就 保证了图像信息的流畅。f p g a 同时负责生成l c d 显示屏的驱动时序，使之 实时地显示图像信息。 论文的2 2 节和2 3 节将分模块介绍本设计的具体实现。 平板显示器件s 一d e “c v b s 接口电路设计 2 2 基于s a a 7 1 1 l a 的视频输入处理模块 2 2 1s v i d e o ，c v b s 撂 口介绍 摄像机的光学系统将景物发出或反射的光束分解为三种基本的色彩：红 色、绿色和蓝色。感光器材再把这三种单色图像转换成分离的电信号。为了 识别图像的左边沿和项部，电信号中附加有同步信息。显示终端与摄像机的 同步信息可以附加在绿色通道上有时也附加在所有的三个通道上，甚至作 为一个或两个独立的通道进行传输，下面是几种常见的同步信号附加模式及 其表示方法j ： r g s b ：同步信号附加在绿色通道，三根7 5 0 同轴电缆传输。 r s g s b s ：同步信号附加在红、绿、蓝三个通道，三根7 5 q 同轴电缆传输。 r g b s ： 同步信号作为一个独立通道，四根7 5 q 同轴电缆传输。 r g b ：同步信号以行、场二个独立通道传输，五根7 5 q 同轴电缆传输。 可见，采用r g b 分量传输可以获得高质量的图像但至少需要三个独 立通道分别处理，在长距离传输时存在诸多不便。 复合视频格式是一种解决长距离传输的折中方式，采用n t s c 或p a l 制 式编码后的信号易于处理且只需单线即可传输。色度和亮度共享 4 2 m ( n t s c ) 或5 o - 5 ，5 m h z ( p a l ) 的频率带宽。传输介质是单根带屏蔽的同 轴电缆，传输阻抗为7 5 n ，常用接头为b n c 接头和莲花( r c a ) 接头。r c a 接头及引脚说明如图2 2 所示。 0 r o u n ds 1 0 n a l 圉2 2r c a 接头 s v i d e o 是在c v b s 接口的基础上将色度信号c 和亮度信号y 进行分 离，再分别以不同的通道进行传输，通常采用标准的4 芯( 不含音效) 或者扩 o 平板显示器件s v i d e o c v b s 接口电路设计 展的7 芯( 含音效) 接口。本设计采用的4 芯接口，图例和引脚说明如图2 3 所示。相比于c v b s ，s - v i d e o 在亮度利用率上有明显的提升，并有效地消除 了色彩蠕动的现象。 p i n a m e d e 靼r i p 6 0 lg n d g r o d ( y ) 2g n d g r o d ( c ) 3y i n t e 邶i 哪( l m l l j n 柏c e ) _ 4 c c o l o r ( c h f o t n i n c e ) 田2 _ 34 芯州l d 接口圈倒和引脚说明 2 2 2 视频输入处理芯片的选择 通过上述的s d e o ，c v b s 标准接口，可以引入所需的视频信号。接下的 工作就是对引入的信号进行处理。在视频处理中，需要涉及到很多信号，如 场同步信号、场消隐信号、行同步信号、行消隐信号、槽脉冲信号、前均衡 脉冲以及后均衡脉冲等，如此繁多的信号本身就给电路设计提出了很多挑战。 另一方面，视频信号频率较高，对延时和串扰都十分敏感。所以，传统的使 用分立元件搭建处理电路的方案难度太、周期长，且电路复杂、可靠性差、 调试困难。故这种方案已鲜被采用( 。 随着电子技术的发展，许多著名的半导体生产厂商开始将这些复杂的视 频刖d 转换电路集成在一块芯片内，生产出视频输入处理芯片，为后继的图像 处理提供了极大的便利。 选用合适的集成芯片可以有效地降低设计难度，缩短开发周期，提高产 品的可靠性。可供考虑的视频输入处理芯片包括p h i l i p s 公司的s a a 7 l l x 系列产 品、c o n e x a n t 公司的2 3 8 8 x 系列芯片、s a m s u n g 公司的k s o l 2 7 和i 丌公司的 v p c 3 2 l l b 等。 平板显示器件s - v i d e o ，c v b s 接口电路设计 经综合考虑，本设计选择了s a a 7 1 ll a 。这是一款由p h i l i p s 公司出品的“增 强型视频输入处理器芯片”( e i l l l a l l c e dv i d e oi n p u tp r o c e s s o r ) ，它集刖d 与解码 功能于一身，芯片内包含了锁相、自动钳位、自动增益控制、时钟生成、多 制式解码等电路。还可对亮度、对比度和饱和度进行控制。既支持p a l 制式， 又支持n t s c 制式。可通过1 2 c 总线对其工作方式进行设定。s a a 7 l l l a 直接送 出场同步信号f v 砌! f ) 、行同步信号( m 也f ) 、奇偶场信号( r t s 0 ) 、像素时钟信 号( l l c 2 ) ，从而省去了时钟同步电路的设计，大大提高了设计的可靠性，同 时也降低了设计难度。目前，s 从7 1 l l a 已被广泛地应用于放映机、数字电视、 d v d 录像机和游戏机等许多系统中1 2 0 】。 s 从7 l l1 a 的主要特点如下： 1 拥有四路视频输入，可在芯片内部进行模拟信号源选择，组成不同的 工作模式。即通过编程可实现如下几种输入模式：4 个c v b s 接口 2 个y ，c 接口( 即s v i d e o 接口) ；1 个y c 和2 个c s 接口。可进行静态增益控制或 自动增益控制，可进行抗混叠滤波和梳状滤波。 2 可实现行、场同步信号的自动检测与分离，且行同步信号的起始位置 与结束位置均可根据需要进行编程控制。片内产生的时钟通过“数字锁相环 路”( p l l ) 锁定行同步。 3 ，可对5 0 h z 或6 0 h z 的场频进行自动检测，并可在p a l 和n t s c 到 式间自动切换。兼容下列制式的视频信号：p a lb g h i 、p a ln 、联合p a ln 、 p a lm 、n t s c m 、n t s cn 、n t s c 4 4 3 、n t s c j 印趾和s e c 舢。 4 灵活的图像数据输出格式，主要包括；4 ：l ：l 的y i 格式( 1 2 b i t ) ，4 ：2 ：2 的y 1 格式( 1 6 b i t ) ，4 ：2 ：2 的y u v 格式【c c m 一6 5 6 】( 8 b i t ) ，5 ：6 ：5 的r g b 格式( 1 6 b i t ) 和8 ：8 ：8 的r g b 格式( 2 4 b i t ) 。 平板显示器件s ，v i d e o ，c v b s 接口电路设计 | i sv sv r e fr t s 0 l l cl l c 2c l i e f 图2 4s a a ，1 1 1 a 原理框图 5 ：0 s 从7 l l l a 的原理框图如图2 - 4 所示，模拟视频信号由输入端( a i l l ，a i l 2 ， a j 2 l ，似2 2 ) 进入s 从7 l l l a ，经模拟处理( 钳位、增益控制等) 和d 转换 后，产生数字亮度信号和色度信号。芯片内部模块对亮度信号和色度信号进 行分别处理：亮度信号处理的结果分成两路，一路送到色度信号处理器，进 行综合处理，产生y 和u v 信号，经“y u v t o - r g bc o n 、，e r s i o na n d o u t p u tf o 砌从r 胆r ”( y u v 转i 沁b 和输出格式控制模块) 后从v p o ( 1 6 位) 输出；另一路进入同步分离器，经数字锁相环产生相应的行同步( h s ) 和场同步( v s ) 信号，同时锁相环驱动时钟发生器，产生与h s 锁定的时钟 信号l l c 和l l c 2 。 2 2 3s a a 7 1 11 a 配置字的取值 s 从7 1 1 1 a 功能强大，通过对其3 2 个配置字赋予合适的值，即可使该芯 片应用于不同的场合。通过阅读d a t as h e e f 2 ”和反复试验，最终总结出了本设 计中应使用的配置字的值。当5 0 h z 的队l n 制式信号由s v i d e o 接口引入， 且以2 4 0 + 3 2 0 分辨率的l c d 作为显示设备时，o o h 至1 7 h 配置字的意义与取 平板显示器件s 一d e “c v b s 接口电路设计 值如表2 1 所示。表2 - 1 中r c g i s t e rf m l c t i o n 是对该配置字功能的描述，s u b a d d r 是指该配置字的偏移值v a l 指明其取值。 裘2 一l 配置字取值列裹 r e 2 i | 把rf u n 州o o s u b a d d rv u d e 虻r t p o n c h i p 、研s i 0 0 h2 0 h 厂家定义 r e s e r v e d0 l h0 0 h 保留字 a n 山gi n p u tc 矾1 o z hc 6 h 启动放大器和抗混叠滤波器。迟滞时间为o ， 输入方式采用模式6 n o gi 叩u tc n 惶 0 3 h2 7 h a g c 启动井采用自设值，短场消隐时间 a i l a l o g i “p i l t c 廿 0 4 hh c h 蚰n dl 静态增益m b a n 山g i i i p u i c 0 5 hh c h 咖e 1 2 静态增益o 曲 hs y n c s 雠 0 6 i1 c h 两者配合决定输出h s 的位置和长度 h s ”cs 郇 o m9 f h s y 鹏c 埘 0 8 h8 8 h 5 0 h z 6 2 5 行t v 模式，正常模式 l w n c cc 廿l 0 9 hb l h 绕过c t r a p ，绕过前置滤波器 l u mb 曲抽e s so a h8 0 h c c f r k v e l l u mc b n 岫峙t 0 阴4 7 h 默认值 c b m 8s a m m 6 0 ( m蜘 c c ml e v e l c h c 订10 d h0 0 h 默认值 c i m m c 耐 o e h0 l h 制式自动监铡选择正常带宽 r e a 砌 0 开h 保留字 f 0 删 1 0 h1 8 h r g b 5 6 5 格式，微调h s 位置 o u 4 t c 岫t i i h o c h 输出控制项 o u 枷t c 州2 i 2 h0 扭 r t s 0 设为奇偶场标志位，进行抖动处理 o u 枷t c 订l31 3 h 输出皆为n ob y p b 靼，c r e f 和v r e f 无关 r e 瞬n 咕d1 4 h0 0 h 保留字 v - 0 a 1 卫i _ s t a 盯1 5 hh 解码信号输出的起始位置 v - g 舳i _ s t o p1 6 h哪 解码信号输出的结束位置 vg 丁e lm s b 1 7 h螂 默认值 1 4 平板显示器件s v i d c o c v b s 接口电路设计 在表中未列出的配置字中，1 8 h 、1 9 h 、l d 和1 e 为保留字，其余皆使 用默认值。 由d a t a s h e e f 2 ”第3 l 和3 2 页的内容可知，也f ( v e n i c a l r e f e r e n c e ) 为 高电平时，输出的才是有效的行信息；当h 砌球为高电平时，输出对应的7 2 0 个像素信息。但试验后发现，只有在h r e f 为高且h s 为低电平时，输出才真 正有效，如图2 5 所示。所以一定要谨慎调整0 6 h ，0 7 h 和l o h 这三个寄存器 的值，以保证h s 在合适的位置处于低电平状态。 当输入信号为c s 时s 从7 “1 a 的配置字只在少数地方略有调整，此 处不再赘述。 y t u b l t m 口脚嘲 r t s 伊u n ，叶 镕 h 9 ( 嘲 即日_ i _ 冒崎r 衅 阳n “j c j f _ - _ _ - - - h - - - - - - _ - - - - - - - 一 雹墨墨蕾瞄2 习留s 即瑚p 删 i广 一7 x o u c 一= 1 = 一 “x 2 u c + l 2 rx a l l c t “。i i + ii 一4 u c 一 。i 一 ：竺l o 圈2 _ 5 输入信号蝠颇为舶h z 时h s 与h 刚强关系蟹 2 2 4 基于单片机的1 2 c 协议实现 s 从7 l ll a 在上电后，芯片并非立即工作，必须由控制器通过1 2 c 串行总 线对其内部寄存器进行初始化设置后，芯片方能正常运作。 本设计中利用单片机8 9 c 5 l 的i o 口线编程模拟实现1 2 c 总线接口，实现对 s a a 7 il i a 的配置。 2 2 4 “2 c 总线概述 1 2 c ( i n t e r i n 钯擎a t e d c i r 饥i t n c 或1 2 c ) 总线是由p h i “p s 公司开发的两线式串 平板显示器件s d e 0 c v b s 接口电路设计 - - - - _ _ _ - _ _ ，- - _ _ _ - - _ - _ - - _ _ - _ - - _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 行总线，用于连接微控制器及其外围设备。1 2 c 总线产生于8 0 年代，最初为音 频和视频设备开发，而今已在超过1 0 0 种不同的i c 上实现。而今，1 2 c 总线已成 为事实上的国际标准 2 “。 1 2 c 总线具有以下一些特征： 线路简单，只需一条串行数据线( s d a ) 和一条串行时钟线( s c l ) 。 每个连接到总线的器件都可以通过唯一的地址和主机通信，主机可以 作为发送器或接收器。 它是一个真正的多主机( m u l t i m a s t e r ) 总线，如果两个或更多主机同 时初始化数据传输，有“冲突检测和仲裁机制”防止数据被破坏； 1 2 c 总线上数据传送的时序如图2 6 所示 2 2 1 。 r 一1 s * 1 、! 田： ( 厂【 c ： ! ：一裟船筌 il一一 豳2 - 6r c 总线数据传送时序 1 2 c 总线协议规定：在s c l 高电平期间，s d a 上出现的由高到低的屯平变 化为1 2 c 总线的开始信号( s ) ；s c l 上的高电平对应于s d a 上数据的稳定期， 只有在s c l 为低电平时才允许s d a 上的电平发生变化；在s c l 高电平期间， s d a 上出现的由低到高的电平变化为1 2 c 总线的结束信号( p ) 。接收数据的i c 在正确接收到8 b i t 数据后，拉低s d a 表明数据已到达，这就是应答信号( a c k ) 。 1 2 c 总线协议中有两组重要的概念：主机和从机( m a s 把r s l a v e ) 、发送 方和接收方( t r 髓s m i n e r & r e c e i v e r ) 。产生开始和结束信号并生成时钟信号 的器件是主机。受到主机寻址，做出响应的器件是从机。发送数据的一方为 发送方，接收数据的一方为接收方。对于某一次具体的传输过程，主机既可 以作为发送方，也可以接收方。即这两组概念是相互独立的，对其具体的解 嚏 - 8 1艮吖 二二二誊一 姒 平板显示器件s 一d e 0 c s 接口电路设计 释可参看文献【2 2 】的第7 页。 在对s 从7 l l l a 芯片进行1 2 c 写操作时必须遵循如表2 2 所示的时序： 裹2 - 2 写时序 其中s l a v ea d d r e s s 是指：对每一个拥有1 2 c 接口的器件，都拥有的一个7 位地址，再加上一位读写标志位，就构成了1 2 c 器件的寻址地址，其格式如下： 高四位( d a 3 、d a 2 、d a l 、d a 0 ) 由1 2 c 总线委员会统一编制，a 2 ， a