基于FPGA實現(xiàn)的計算機與HDTV顯示器測試信號發(fā)生器

摘要:為產(chǎn)生滿足14種計算機并兼容4種高清晰度電視(HDTV)視頻標準的13種測試圖案信號,研究開發(fā)了計算機與高清晰度電視顯示器測試信號發(fā)生器.采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)完成測試圖案數(shù)據(jù)存儲、各種視頻標準時序產(chǎn)生及系統(tǒng)控制信號產(chǎn)生等核心功能.利用FPGA的現(xiàn)場可編程功能,采用多個EPROM存儲FPGA配置.采用頻率發(fā)生器技術(shù)為多種視頻標準提供時鐘信號.實踐表明,以上方法可行,且成本降低,尺寸從15cm×21.5cm減小到11cm×14cm.

隨著高清晰度電視(HDTV)顯示器與計算機顯示器生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大,如何準確有效地測試它們的性能質(zhì)量就顯得十分重要.筆者研制的HDTV顯示器測試信號發(fā)生器,已在國內(nèi)某企業(yè)的高清晰度電視顯示器生產(chǎn)中投入使用.

該儀器使用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)產(chǎn)生地址和控制信號訪問測試圖案數(shù)據(jù)存儲陣列.組成數(shù)據(jù)存儲陣列的14片芯片(8片74LS244芯片、3片74LS374芯片、3片EPROM)在電路板上占據(jù)了很大的空間,因此為了釋放電路板空間,節(jié)約成本及提高系統(tǒng)可靠性,筆者采用FPGA內(nèi)部實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的方案,研制了第二代HDTV顯示器測試信號發(fā)生器.

在實踐中,用戶希望擴展該儀器的功能,使之增加能夠產(chǎn)生各種滿足計算機顯示器視頻標準的測試信號的能力,即除了遵循HDTV標準中的3種必須的顯示格式(SMPTE274M-1080i60Hz,SMPTE293M-480P,SMPTE296M-720P)和1種中國高清晰度數(shù)字電視1080i50Hz的顯示標準格式[6]外,還必須遵循VGA、SVGA、XGA、SXGA和UXGA等14種計算機顯示器的顯示格式.這在技術(shù)上帶來了兩個問題:一是如果仍采取以前的方案,使用1片F(xiàn)PGA完成全部18種視頻時序的產(chǎn)生、測試圖案數(shù)據(jù)存儲及控制信號產(chǎn)生,則該FPGA的規(guī)模會變得很大,這樣,FPGA要么價格十分昂貴,要么目前還找不到;二是以前為產(chǎn)生4種HDTV時序,只需向FPGA提供兩種時鐘(74.25MHz和27MHz),為此使用了兩個晶振.現(xiàn)在為產(chǎn)生新的14種時序,必須再提供14種不同頻率的時鐘(詳見下文),使用單個晶振分別產(chǎn)生的方案顯然已經(jīng)不合理了.為此,利用FPGA的現(xiàn)場可編程功能,在仍使用原FPGA的同時,為其配備多個EPROM存儲FPGA配置,在切換圖像格式組時,分別用不同EPROM對FPGA進行配置,在不增加FPGA規(guī)模的情況下實現(xiàn)18種視頻格式的產(chǎn)生,并采用頻率合成器技術(shù)為FPGA提供各種時鐘信號.實踐證明,以上措施是正確可行.

1 系統(tǒng)的功能框圖及介紹

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖1 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.FPGA的輸入有選擇信號、像素時鐘和配置信號.選擇信號包括對圖像格式和測試圖案的選擇,它們來自系統(tǒng)的控制面板.各種像素時鐘來自頻率合成器模塊.頻率合成器模塊由FPGA輸出的像素時鐘選擇信號控制,為FPGA選擇適當?shù)南袼貢r鐘頻率.EPROM模塊由4個EPROM(EPC1)組成,每個EPROM中放有一組視頻標準的配置信息,EPROM的選擇信號由控制面板產(chǎn)生.EPROM輸出的配置信號在系統(tǒng)上電或圖像格式組切換時完成對FPGA的配置.

型號為FLEX10K50的FPGA芯片是本系統(tǒng)的核心部分.它根據(jù)輸入的控制信號,輸出滿足格式要求的數(shù)字YCbCr信號、同步/消隱控制信號、行場同步信號以及像素時鐘的選擇信號.THS8134的作用是把FPGA輸出的數(shù)字YCbCr信號轉(zhuǎn)換為模擬YPbPr信號,再根據(jù)控制信號/SYNC、SYNC-T和/BLANK產(chǎn)生同步/消隱信號并把它疊加到模擬YPbPr信號上.THS8134的輸出,一組直接從YPbPr接口輸出,一組通過矩陣變換和同步切除,轉(zhuǎn)換為可供VGA接口輸出的RGB信號.

2 頻率合成模塊和各種VGA格式

頻率合成模塊的功能是在FPGA的控制下,根據(jù)選擇信號產(chǎn)生相應的像素時鐘信號.選用MC12429作為時鐘產(chǎn)生芯片.MC12429是1個通用合成時鐘源,其內(nèi)部的壓控振蕩器(VCO)可在200～400MHz范圍內(nèi)操作.該芯片的差分PECL輸出根據(jù)不同的設置可以是VCO頻率的1、2、4或8分頻.輸出頻率可通過并行接口或串行接口來配置,筆者選用并行配置.并行接口根據(jù)MC12429的輸入腳M[8..0]、N[1...0]的值配置內(nèi)部計數(shù)器,產(chǎn)生所需要的時鐘.其輸出時鐘的計算式為:

FOUT=(Fxtal/16)M/N

式中:M的推薦取值范圍是200～400;N取00代表1,取01代表2,取10代表4,取11代表8;Fxtal在本系統(tǒng)中選用16MHz的晶體.MC10ELT21是一個差分PECL電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換器,其特點是具有3.5ns的典型傳輸延遲,差分PECL輸入,SOIC封裝,24mATTL輸出,+5V供電.

需要說明的是,MC12429與MC10ELT21組成的頻率合成系統(tǒng)無法產(chǎn)生25.175MHz(VGA60Hz)的時鐘頻率,因而還需要外加一個25.175MHz的晶體振蕩器為VGA60顯示格式提供時鐘.此外,THS8134的最大輸入頻率是80MHz,所以對像素時鐘大于80MHz的顯示格式(XGA85Hz、SXGA60Hz和UXGA602Hz),采取FPGA片外分頻的方法,即讓時鐘合成模塊輸出像素時鐘的2分頻,從而使THS8134的輸入時鐘都小于80MHz.這樣做的代價是,系統(tǒng)水平方向以2個像素為單位進行處理.該模塊如圖2所示.表1給出了本儀器可以測試的格式及相關(guān)參數(shù).

圖2 頻率產(chǎn)生框圖

表1 頻率合成模塊所能提供的像素時鐘及相關(guān)參數(shù)

3 FPGA程序設計

本儀器性能上的改進主要是通過對FPGA重新編程實現(xiàn)的.在設計過程中使用了MAX+PLUSⅡ軟件以及AHDL語言.

1)時鐘模塊

根據(jù)選擇信號輸出相應的像素時鐘選擇信號,并對輸入時鐘進行分頻.由于本儀器所需要的像素時鐘大多超過了FPGA可穩(wěn)定工作的范圍,所以必須對輸入的時鐘進行分頻.如果對時鐘進行N分頻,那么FPGA水平方向便以N個像素為單位進行處理,其代價是測試圖像的垂直條紋變粗(為以前的N倍),因此要適當選擇分頻倍數(shù),使顯示效果達到芯片所允許的最佳狀態(tài).時鐘模塊還要輸出一路未分頻的時鐘信號,用于D/A變換.

2)像素計數(shù)模塊

該模塊是整個FPGA工作的基礎(chǔ).根據(jù)當前格式下每行的像素數(shù),對像素時鐘進行計數(shù).計數(shù)器完成1行的計數(shù)后清零并產(chǎn)生完成1行的標志信號.

3)行計數(shù)模塊

計數(shù)器根據(jù)當前格式下每場/幀的行數(shù),對像素計數(shù)模塊產(chǎn)生的標志信號進行計數(shù),再根據(jù)像素計數(shù)器和行計數(shù)器的值,在相應的像素位置產(chǎn)生VGA輸出所需要的同步信號.完成1場/幀的計數(shù)后,計數(shù)器清零并產(chǎn)生完成一場/幀的標志信號.

4)行控制模塊

輸出行標志信號,使FPGA適應不同格式的圖像輸出,不同格式是指消隱與有效輸出之間比例關(guān)系的不同.該模塊利用行計數(shù)的結(jié)果對行進行分類,并將行類型碼傳給同步/消隱控制信號產(chǎn)生模塊.

5)同步/消隱控制信號產(chǎn)生模塊

根據(jù)像素計數(shù)器的計數(shù)和行控制模塊輸出的行標志信號,產(chǎn)生THS8134要用到的同步/消隱控制信號/SYNC、SYNC-T和/BLANK.

6)測試圖案產(chǎn)生模塊

該模塊根據(jù)像素計數(shù)器和行計數(shù)器的計數(shù)情況,按照格式選擇信號和測試圖案選擇信號,輸出相應的YCbCr數(shù)字電平值.模塊輸出的圖像數(shù)據(jù)分為黑白數(shù)字電平值以及彩色、灰度可變信號電平值.黑白信號的數(shù)字電平值比較簡單,只有黑、白、灰3種,且相對固定.而彩色信號包括白、黃、青、綠、品、紅、藍、黑8種電平,灰度可變信號的亮度電平值是在16～235之間變化.在該模塊的設計中,使用了鎖存器,目的是避免測試圖像在電平變化處出現(xiàn)毛刺.圖3是FPGA的程序框圖.表2是改進后系統(tǒng)的部分參數(shù).

圖3 FPGA程序框圖

表2 改進后的系統(tǒng)

4 結(jié)語

通過采取增加EPROM對FPGA現(xiàn)場配置和設置頻率合成模塊產(chǎn)生十余種像素時鐘及對FPGA的重新編程,使儀器增加了對計算機顯示器進行測試的功能,大大擴展了儀器的應用范圍.本儀器在每種顯示格式下均可輸出13種測試圖案,分別為全白場、全黑場、條形圖、可變窗、五窗口、格形圖、線加窗、PLUGE、2τ脈沖、五階梯、棋盤格、五階梯加可變窗和彩條.