基于TVP5150的視頻LCD顯示設(shè)計

摘要：視頻監(jiān)控顯示器在工業(yè)、生活及軍事領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計了一種可在TFT液晶屏上顯示的視頻監(jiān)控顯示器，以內(nèi)嵌8051單片機(jī)的TFT液晶縮放引擎芯片為控制中心，以視頻轉(zhuǎn)換芯片TVP5150為硬件核心。電路將模擬視頻信號編碼為ITU-R BT．656類型的數(shù)據(jù)流。單片機(jī)管理整個工作流程，縮放引擎芯片進(jìn)行圖像處理，把數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低電壓差分信號，最終在液晶屏上獲得監(jiān)控圖像。該顯示器結(jié)構(gòu)輕薄，電路簡單，性能可靠，圖像顯示清晰穩(wěn)定。
關(guān)鍵詞：TVP5150；ITU-R BT．656；圖形縮放引擎；低電壓差分信號

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)目前在軍用車載偵察、日常生產(chǎn)、生活中應(yīng)用十分廣泛。隨著數(shù)字化生活的進(jìn)一步提高，當(dāng)前視頻監(jiān)控系統(tǒng)正逐步由模擬化走向數(shù)字化?，F(xiàn)代常見的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)通常使用視頻解碼芯片將模擬視頻信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，應(yīng)用較多的有philips的SAA711 1、SAA7114，TI的TVPS022、TVP5150等。TI公司的視頻解碼芯片TVP5150以其卓越的性能和高性價比廣泛地得到應(yīng)用，它能將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R BT．656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號，使用數(shù)字化接口的LCD顯示器能獲得比傳統(tǒng)CRT顯示器更清晰、穩(wěn)定的畫面。
    視頻轉(zhuǎn)換處理電路是LCD監(jiān)視器里最重要的組成部分，主要由視頻轉(zhuǎn)換芯片和液晶控制芯片(SCALER)組成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
1．1 原理
    本系統(tǒng)主要由視頻轉(zhuǎn)換模塊、8051內(nèi)核單片機(jī)和液晶圖形縮放引擎(SCALER)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。NOVATEK單片機(jī)通過I2C接口控制其余兩部分模塊的工作，TVP5150把復(fù)合視頻轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)8位的ITU-RBI.656格式的數(shù)字信號傳輸?shù)絊CALER，SCALER通過解碼矩陣電路把解調(diào)后的信號轉(zhuǎn)換成三基色RGB信號，最后通過增益／偏移控制、伽馬校正、抖動處理和圖形縮放變成LVDS信號輸出到液晶屏，單片機(jī)通過串口連接主機(jī)可以檢測TVP5150和SCALER的工作狀態(tài)。

1．2 ITU-RIBT．656視頻標(biāo)準(zhǔn)
    ITU-R BT.601是“演播室數(shù)字電視編碼參數(shù)”標(biāo)準(zhǔn)，而ITU-R BT.656則是ITU-R BT.601附件A中的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)。ITU-R BT．656輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數(shù)據(jù)格式，同步信號內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中串行輸出，也可以單獨引腳與數(shù)據(jù)流并行輸出。圖2所示為完整的一幀數(shù)據(jù)，分奇偶兩場，23～311行是偶數(shù)場數(shù)據(jù)，366～624行是奇數(shù)場數(shù)據(jù)，F(xiàn)ID為奇偶場指示信號，在場同步信號(VSYNC)下降沿跳變。VBLK為場消隱信號，高電平有效，可以通過設(shè)置TVP5150寄存器來改變其長短，控制有效圖像數(shù)據(jù)輸出，因此在VBLK信號低電平期間對應(yīng)輸出視頻有效數(shù)據(jù)。

    每一行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。每行開始的288字節(jié)為行控制信號，開始的4字節(jié)為EAV(有效視頻結(jié)束)信號，緊接著280個固定填充數(shù)據(jù)，最后4個字節(jié)是SAV(有效視頻起始)信號。SAV信號和EAV信號有3字節(jié)的前導(dǎo)：FF、FF、00；最后1字節(jié)XY表示該行位于整個數(shù)據(jù)幀的位置以及如何區(qū)分SAV、EAV信號。

2 TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊
2．1 視頻解碼芯片TVP5150
    TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能視頻解碼器，在正常工作時，它的功耗僅115 mW，并且具有超小封裝(32腳的TQFP)，因此非常適用于便攜、批量大、高質(zhì)量和高性能的視頻產(chǎn)品。它可以接收2路復(fù)合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號。通過單片機(jī)I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，選擇信號AIPLA和AIPIB輸入到內(nèi)部，AGC(自動增益控制)使得芯片可以支持最高1．5 Vp-p的信號電壓并使輸入信號達(dá)到ADC的最大量程，9位的ADC按內(nèi)部PLL時鐘輸出像素數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號經(jīng)過梳狀濾波器進(jìn)行Y、C分離，再進(jìn)一步分離成U、V信號，最終經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換輸出8位ITU-R BT656信號。
2．2 TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊電路
    TVP5150視頻轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖4所示。

    TVP5150僅使用1個14．318 18 MHz的晶體就支持多種視頻制式，并提供1個I2C接口來為視頻特性進(jìn)行編程，包括色調(diào)、對比度、飽和度和亮度。數(shù)字和模擬核心輸入電壓為1．8 V，IO口電壓為3．3 V，每一個電源輸入引腳都要有1個0．1μF的去耦電容。
    根據(jù)芯片要求，兩路輸入信號CH1和CH2通過1個0．1～1 μF電容輸入到芯片輸入引腳，輸入要進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計，防止對輸入信號的反射，電阻R1、R3(R2、R4)的關(guān)系是R1=75-R3，這樣可以根據(jù)實際輸入電壓進(jìn)行分壓，保證輸入到引腳的電壓在0．75 V以下；YOUT[0：7]輸出8位YUV4：2：2信號或者內(nèi)嵌同步的8位ITU-R BT656信號中。PCIX／SCLK腳時鐘信號可輸出13．5 MHz和27MHz兩種頻率。
2. 3 TVP5150寄存器配置
    完成TVP5150的初始化，要通過I2C總線把參數(shù)寫入寄存器，主要有：選擇視頻輸入通道，當(dāng)輸入為Composite信號時，可以選擇通道A或者通道B，當(dāng)輸入為S-Video信號時，通道A輸入Luminance信號，通道B輸入Chrominance信號。輸出格式配置，在本系統(tǒng)中配置為8位ITU-RBT. 656格式的數(shù)據(jù)輸出?？梢园凑誘VP5150規(guī)格書的寄存器初始化表配置。

3 SCALER視頻處理電路
3．1 NOVATEK圈形縮放引擎芯片
    輸出的8位YUV4：2：2數(shù)字信號送到臺灣聯(lián)詠公司的SCALER芯片，NOVATEK是一款QFP-128Pin封裝的高集成度高性能的SCALER芯片，工作電壓3．3 V，內(nèi)部核心電壓1．8 V，通過單片機(jī)I2C總線設(shè)置內(nèi)部寄存器，可以接收雙路模擬RGB、逐行或隔行YUV的ITU-R BT．656、DVI等格式輸入視頻信號，直接輸出LVDS信號，可驅(qū)動當(dāng)前大多數(shù)TFT液晶屏。
3．2 SCALER處理電路
    SCALER處理電路如圖5所示，整個電路采用3．3 V供電，核心PLL電路電源是1．8 V。TVP5150和SCALER的接口簡單：SCALER芯片接收TVP-5150轉(zhuǎn)換出的8路YUV信號YOUT[7..0]信號和采樣時鐘信號SCLK，單片機(jī)對SCALER和TVP5150通過I2C接口進(jìn)行寄存器配置，SCALER通過解碼矩陣電路把解調(diào)后的Y，B-Y，R-Y信號轉(zhuǎn)換成三基色RGB信號，最后經(jīng)過逐行處理，增益／偏置控制、伽馬校正變成LVDS信號，即圖中信號TOM ／P、1、2、CLK輸出到液晶屏。

3．3 SCALER寄存器配置
    要完成基本的顯示功能，SCALER要通過單片機(jī)的I2C指令寫入寄存器以完成以下功能：
    1)液晶屏參數(shù)選擇：根據(jù)要點亮的液晶屏規(guī)格數(shù)，寫入合適的液晶屏參數(shù)，包括分辨率、行場頻、像素時鐘、行場同步寬度、行場前后沿寬度等，這些在程序中更改宏定義即可；
    2)選擇輸入信號格式及輸入信號通道是YUV0還是YUV1，并打開數(shù)字端口控制，由此配置相應(yīng)寄存器；
    3)設(shè)置顯示區(qū)域行場起始、結(jié)束位置，設(shè)置ADC的增益和偏置以及根據(jù)輸入同步設(shè)置ADC_PLL控制；
    4)設(shè)置YUV to RGB色彩轉(zhuǎn)換空間轉(zhuǎn)換系數(shù)。

4 單片機(jī)控制電路
    單片機(jī)控制電路如圖6所示。單片機(jī)工作在12 MHz頻率下，REFCLKI給SCALER提供參考時鐘；SCL和SDA是和TVP5150、NOVATEK和24LC16進(jìn)行I2C通訊的時鐘和數(shù)據(jù)，I2C總線是開漏極電路，必須加上拉電阻，SDA和SCL還用于單片機(jī)的在線編程；RX、TX是和PC通訊的RS232接口；BL-PWM、BL-ON是控制液晶屏逆變器的PWM亮度調(diào)節(jié)端和開關(guān)端；RFCLKI給SCALER提供參考時鐘；AUTO、POWER、RIGHT、LEFT等是OSD菜單的控制鍵。

    單片機(jī)的工作流程如圖7所示。

5 電源設(shè)計
    如果說單片機(jī)是整個系統(tǒng)的大腦，而電源就是心臟，好的電源是一個良好系統(tǒng)的最基本要求，本設(shè)計選用TI的開關(guān)電源TPS5430作為整個系統(tǒng)的主電源，提供穩(wěn)壓5 V，LM1084-33 V提供給SCALER和TVP5150主工作電源，LM1117-1．8 V給SCALER和TVP5150的模擬和數(shù)字核心提供精準(zhǔn)的1．8 V電源。

6 板卡設(shè)計難點
    本設(shè)計方案中，SCALER內(nèi)部采樣頻率最高可達(dá)201 MHz，LVDS輸出頻率最高可達(dá)85 MHz，這對信號完整性及電磁兼容性都是極大的挑戰(zhàn)。在視頻處理板卡的PCB設(shè)計中突出體現(xiàn)以下難點：
    1)時序問題，工作頻率的提高和信號上升／下降時間的縮短，首先會使設(shè)計系統(tǒng)的時序余量縮小甚至出現(xiàn)時序方面的問題；
    2)傳輸線效應(yīng)導(dǎo)致的信號振蕩、過沖和下沖都會對設(shè)計系統(tǒng)的故障容限、噪聲容限及單調(diào)性造成很大的威脅；
    3)信號沿的時間下降到1 ns后，信號之間的串?dāng)_成為很重要的問題；
    4)當(dāng)信號沿的時間接近0．5 ns時，電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電磁干擾(EMI)也十分關(guān)鍵。
    視頻處理板卡PCB的設(shè)計策略如下所述：
    1)數(shù)字電路設(shè)計
    為了獲得更高性能的產(chǎn)品，電路板設(shè)計按4層板考慮，在元器件布局及布線過程中嚴(yán)格遵守高速電路設(shè)計原則，為確保系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及整機(jī)性能指標(biāo)達(dá)到檢測標(biāo)準(zhǔn)，在PCB布線時需要特別注意串接電阻降低高速電信號反射的影響及保證同一組數(shù)據(jù)同步到達(dá)。由于信號在頂層、底層與中間層的傳輸阻抗和傳輸速率不一樣，因此應(yīng)盡量將接到同一器件的信號線分布在同一層上，并使導(dǎo)線長度相等。
    2)電源設(shè)計
    電源是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，在設(shè)計中，應(yīng)使用足夠多的電源層和地層，對AVDD、DVDD、AGND、DGND分層設(shè)計，并將模擬地與數(shù)字地單點接地，這樣可以避免模擬電路與數(shù)字電路相互影響，SCALER數(shù)字部分和模擬部分通過磁珠分開供電以消除干擾。

7 結(jié)束語
    在引進(jìn)和消化SCALER縮放引擎技術(shù)的基礎(chǔ)之上設(shè)計了這款基于TVP5150的視頻處理板卡。本板卡電路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、功能完善、性能可靠、系統(tǒng)升級方便，在分辨率為800x600的液晶屏上顯示清晰，在程序中通過更改液晶屏?xí)r序參數(shù)可以驅(qū)動分辨率最高達(dá)1 600x1 200液晶屏，如果在輸入加上多路切換芯片還可以方便地升級為多路視頻監(jiān)控顯示器，但是由于采用最簡單的ITU-R BT．656編碼，模擬轉(zhuǎn)數(shù)字損失一些細(xì)節(jié)，所以電視線還沒有CRT顯示器細(xì)致，這是下一步研究的重點。