一款實用智能高清電視視頻轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

摘要：描述了一種高清電視視頻轉(zhuǎn)換器的具體實現(xiàn)原理和方法。本系統(tǒng)可以方便地將復(fù)合電視視頻信號轉(zhuǎn)換成多種不同分辨率的VGA信號，普通的模擬電視信號經(jīng)過此系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后就可以直接送入到各種液晶顯示器。使用本系統(tǒng)，用戶不用購買價格昂貴的液晶電視就可以達到收看液晶電視節(jié)目的目的。
關(guān)鍵詞：電視；液晶顯示器；視頻轉(zhuǎn)換；VGA；復(fù)合視頻

引言
    傳統(tǒng)的CRT電視由于體積龐大、功耗高和顯示效果差等缺陷得不到市場認可，而目前市場上的LCD、LED液晶電視價格還是比較昂貴。與此同時，配置液晶顯示器的家用個人電腦系統(tǒng)卻越來越普及。
    眾所周知，液晶顯示器的功耗遠小于CRT電視的功耗，并且液晶屏的顯示效果遠遠優(yōu)于CRT顯示屏。如何使廣大家庭用戶不用購置價錢不菲的液晶電視，利用電腦液晶顯示器就能收看到液晶電視節(jié)目呢?本文設(shè)計的一款實用智能高清電視視頻轉(zhuǎn)換器就可以達到上述目的。本系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)投入成本低且提升廣大居民生活質(zhì)量的目的，而且也滿足國家“節(jié)能減排”的目標要求。另外，在一些安防應(yīng)用領(lǐng)域，由于很多視頻監(jiān)控設(shè)備輸出的信號都是模擬復(fù)合視頻信號，因此安防領(lǐng)域中的顯示設(shè)備都是采用專業(yè)的監(jiān)視器(或電視)來實現(xiàn)的，使用此設(shè)備后，就可以采用普通的電腦顯示器來顯示監(jiān)控視頻圖像，從而大大降低安防成本。

1 現(xiàn)有技術(shù)方案
    目前，通過電腦顯示器觀看電視節(jié)目一般采取以下3種方式：
    ①通過實現(xiàn)寬帶上網(wǎng)功能的電腦主機來實現(xiàn)。電腦主機在線點播電視臺電視節(jié)目服務(wù)器上的有關(guān)電視節(jié)目，然后在本地通過軟件實現(xiàn)音／視頻信號的解碼功能，從而實現(xiàn)電視節(jié)目的實時在線觀看。
    ②通過電視卡實現(xiàn)。電視卡插到電腦主板的PCI、PCI-E插槽上或USB接口上，通過電視卡接收電視射頻信號，解調(diào)后的數(shù)字電視信號經(jīng)過解碼芯片解碼，恢復(fù)出原始的音／視頻信號，再通過電腦主板內(nèi)部總線分別送到電腦的顯卡和聲卡，從而在電腦顯示屏顯示電視節(jié)目圖像信號，從電腦音箱輸出電視節(jié)目音頻信號。
    ③通過電視盒來實現(xiàn)。電視盒內(nèi)部的高頻頭接收電視射頻信號，解調(diào)后的數(shù)字電視信號經(jīng)專門的解碼芯片后恢復(fù)出原始的音／視頻信號。一方面視頻信號經(jīng)電視盒內(nèi)的視頻處理器轉(zhuǎn)化成顯示器能直接識別的模擬信號輸出，另一方面音頻信號則需要經(jīng)音頻芯片進行處理，最終由音箱輸。
    對于第1種方式，雖然實現(xiàn)了用電腦顯示器觀看電視節(jié)目，但必須配備開通了寬帶上網(wǎng)功能的電腦主機，這樣又給用戶增加了額外的費用支出。對于第2種方式，也實現(xiàn)了通過電腦顯示器觀看電視節(jié)目，其條件是除了要有電腦主機的參與外，還必須外掛專門的電視卡。對于第3種方式，雖然不用電腦主機的參與就可以實現(xiàn)電腦顯示器觀看電視，但由于在電視盒內(nèi)部要完整地實現(xiàn)數(shù)字音／視頻信號的解碼功能，不但硬件實現(xiàn)復(fù)雜、成本比較高，而且實時性不好。另外，上述3種方式都不能實現(xiàn)對數(shù)字電視節(jié)目的解密功能，因此接收的電視節(jié)目數(shù)量都很有限。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)連接方式
    本系統(tǒng)提出了采用一種簡單直通式的電視視頻轉(zhuǎn)換器的方法，解決上述3種方式存在的問題。本系統(tǒng)將機頂盒輸出的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換成VGA信號，送入普通電腦顯示器，同時將機頂盒輸出的左／右聲道音頻信號進行接口轉(zhuǎn)換，送入電腦音箱。這樣就實現(xiàn)了無需電腦主機的參與，通過普通電腦顯示器觀看電視節(jié)目的目的。由于本系統(tǒng)的信號來源于有線電視網(wǎng)絡(luò)，因此接收到的電視節(jié)目頻道數(shù)比普通的電視盒要多得多。在本系統(tǒng)中，電視視頻轉(zhuǎn)換器連接示意圖如圖1所示。

    在實際使用中，用戶可以根據(jù)實際液晶顯示器的尺寸，通過設(shè)置電視視頻轉(zhuǎn)換器的不同工作模式輸出不同分辨率格式的VGA圖像，達到在液晶顯示器上的最佳視頻顯示效果。另外，一些安防監(jiān)控設(shè)備輸出的視頻監(jiān)控信號也可以按照圖1所示的方式將信號輸入到電視視頻轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VGA信號后再接入普通電腦顯示器。
2．2 硬件工作原理
    系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2所示。

    本系統(tǒng)功能主要由3個主芯片來實現(xiàn)，包括TW9910、TV5725和ATmega128L。TW9910將CVBS(電壓峰值為1 V)格式的復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換為27 MB的BT．656數(shù)字視頻信號。TW9910的外圍模塊工作電壓是3．3 V，內(nèi)核1．8 V核心電壓，功耗大約0．3 W。TV5725則將來源于TW9910的BT．656數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換為多種格式標準(640×480、800×600、1024×768、1280×1024、1920×1200)的VGA模擬視頻信號。通過配置TV5725內(nèi)部各模式寄存器的不同參數(shù)，實現(xiàn)多種不同格式分辨率的VGA輸出。ATmega128L單片機系統(tǒng)通過I2C總線接口來對TW9910和TV5725的內(nèi)部寄存器進行讀／寫操作訪問。I2C總線接口的訪問速度設(shè)置為240kb／s，以實現(xiàn)兩個芯片內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)的穩(wěn)定訪問。
    普通的復(fù)合視頻信號通過外部連接頭經(jīng)匹配電阻輸入到TW9910的第13引腳。在此信號的輸入通道上，還需外接一個接地瞬態(tài)二極管，以達到靜電保護的目的，防止外接的視頻信號接入高電壓信號到TW9910芯片從而燒毀芯片。接入的模擬復(fù)合視頻信號經(jīng)過TW9910內(nèi)部處理后，變成27 MHz的標準BT．656數(shù)字視頻信號輸出。為保證數(shù)字信號的信號質(zhì)量，輸出的數(shù)字視頻信號還需外接匹配電阻。
    TW9910輸出的27 MHz標準BT．656數(shù)字視頻信號再輸入到TV5725芯片的BT．656硬件接口上。BT．656數(shù)字視頻信號經(jīng)過TV5725內(nèi)部處理后，變成標準的模擬VGA信號，輸出到TV5725的VGA硬件接口上。芯片輸出不同的分辨率格式是通過設(shè)置內(nèi)部寄存器的不同參數(shù)來實現(xiàn)的。另外，為了能緩存數(shù)字視頻信號，同時方便系統(tǒng)提供OSD功能、多畫面功能等，TV5725還外接一個8MB的通用SDRAM芯片(HY57V643220)。
    音頻接口轉(zhuǎn)換電路只是實現(xiàn)簡單物理接口的轉(zhuǎn)換。它將機頂盒送來的兩路RCA接口(蓮花頭)音頻信號分別轉(zhuǎn)接到電腦音箱的3．5 mm的左／右聲道上。
    電源模塊提供整個系統(tǒng)的工作電源。整個系統(tǒng)通過外接5 V／2 A的直流電源模塊來供電。內(nèi)部通過兩個DC～DC轉(zhuǎn)換芯片把5 V直流電轉(zhuǎn)換為3．3 V和1．8 V。這兩個DC—DC轉(zhuǎn)換芯片型號為AIC1084-3．3和AIC1084-1．8。
    復(fù)位模塊提供整個系統(tǒng)穩(wěn)定的全局復(fù)位信號。整個系統(tǒng)的全局復(fù)位信號由專用復(fù)位芯片(SP706)來實現(xiàn)，以保證能輸出穩(wěn)定的200 ms的低電壓復(fù)位信號。
2．3 系統(tǒng)總線
    本系統(tǒng)主要包括兩條總線：一條是I2C控制總線，主要是提供ATmega128L、TW9910及TV5725之間的通信連接，實現(xiàn)ATmega128L對TW9910和TV5725的工作模式設(shè)置和工作狀態(tài)的讀取，這條總線是控制總線。另外一條是BT．656數(shù)字視頻接口總線，用于連接TW9910和TV5725之間的數(shù)字視頻信號，這條總線是業(yè)務(wù)總線接口。
2．3．1 I2C控制總線
    本系統(tǒng)利用I2C總線作為系統(tǒng)內(nèi)部的控制總線。單片機ATmega128L通過I2C總線，對TW9910和TV5725的工作模式寄存器寫入不同的值，實現(xiàn)對TW9910和TV5725不同工作模式的設(shè)置。ATmega128L還通過I2C總線讀出TW9910和TV5725內(nèi)部的工作狀態(tài)寄存器的值，從而獲取這兩個轉(zhuǎn)換芯片的內(nèi)部工作狀態(tài)信息。
2．3．2 BT．656數(shù)字視頻接口總線
    為了便于國際間的節(jié)目交換，以及消除數(shù)字設(shè)備之間的制式差別，實現(xiàn)625行電視系統(tǒng)與525行電視系統(tǒng)相互兼容，向著數(shù)字電視廣播系統(tǒng)參數(shù)統(tǒng)一化、標準化邁進，在1982年2月國際無線電咨詢委員會(CCIR)第15次全會上，通過了601號建議，確定以分量編碼為基礎(chǔ)，即以亮度分量Y和兩個色差分量R—Y、B—Y為基礎(chǔ)進行編碼，作為電視演播室數(shù)字編碼的國際標準，601號建議單獨規(guī)定了電視演播室的編碼標準。
    BT．656只是數(shù)據(jù)傳輸接口而已，可以說是作為BT．601標準的一個傳輸方式。簡單地說，ITU—R BT．601是“演播室數(shù)字電視編碼參數(shù)”標準，而ITU-R BT．656則是ITU—R BT．601附件A中的數(shù)字接口標準，主要用于數(shù)字視頻設(shè)備(包括芯片)之間采用27 Mb／s并口或243Mb ／s串行接口的數(shù)字傳輸接口標準。
    BT．656接口定義了一個并行和串行的接口，用于在數(shù)字視頻設(shè)備間傳輸4：2：2的YCbCr數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流。BT．656接口在硬件上面只包括一個8／10位的YCbCr數(shù)據(jù)信號和一個時鐘信號。傳統(tǒng)的視頻信號中的同步信號HSYNC、VSYNC、BLANK信號都是通過在數(shù)據(jù)線上按照一定的硬件傳輸協(xié)議進行區(qū)分。
    在本系統(tǒng)中，數(shù)字視頻處理芯片TV5725和TW9910之間就是通過BT．656硬件接口進行連接的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的軟件主要是完成對TW9910和TV5725兩個芯片內(nèi)部工作模式的設(shè)置和芯片內(nèi)部工作狀態(tài)的讀取。具體實現(xiàn)上是由ATmega128L單片機通過I2C總線對TW9910和TV5725兩個芯片內(nèi)部的相關(guān)寄存器進行讀／寫操作來完成。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

    首先對AVR單片機進行初始化，主要包括I／O引腳端口功能設(shè)置、時鐘頻率的設(shè)置等。接著對AVR單片機內(nèi)部的I2C總線控制器進行設(shè)置，主要是工作模式和訪問速度的設(shè)置。然后，再將TW9910的寄存器設(shè)置參數(shù)通過AVR單片機經(jīng)I2C總線寫入到TW9910內(nèi)部相應(yīng)的寄存器具體地址中。如果寫入成功，則程序繼續(xù)進行TV5725的初始化；如果不成功，則跳轉(zhuǎn)到程序異常指示燈閃爍部分執(zhí)行。
    TV5725工作模式設(shè)置部分也是通過AVR單片機完成(包括通過面板選擇按鍵設(shè)置顯示器分辨率參數(shù))，通過I2C總線寫入到TV5725內(nèi)部相應(yīng)的寄存器具體地址中。如果寫入成功，則繼續(xù)執(zhí)行正常指示燈閃爍部分程序；如果不成功，則跳轉(zhuǎn)到程序異常指示燈閃爍部分執(zhí)行。用戶根據(jù)指示燈的閃爍情況來判斷系統(tǒng)軟件執(zhí)行是否正常。

結(jié)語
    本文描述了一種智能高清電視視頻轉(zhuǎn)換器的具體實現(xiàn)原理和方法。通過此方法實現(xiàn)的視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以方便地將復(fù)合視頻信號轉(zhuǎn)換成多種不同分辨率的VGA信號，實現(xiàn)通過普通電腦顯示器收看液晶電視節(jié)目的功能。相對于傳統(tǒng)的CRT電視，既可以大大降低功耗，又可大幅提高顯示效果。另外，本設(shè)備也可以應(yīng)用于安防監(jiān)控領(lǐng)域，降低安防監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)成本。根據(jù)本方案設(shè)計的產(chǎn)品樣機成功參展了第11屆高新技術(shù)成果交易會。