嵌入式機(jī)載視頻輸出接口設(shè)計

摘要：針對視頻接口接收視頻格式單一的問題，設(shè)計了一種多格式視頻輸入接口的視頻編碼模塊。由于采用CH7024視頻編碼芯片，所以在接口即可接收RGB565和RGB666格式的視頻信號。在Linux環(huán)境下，對芯片寄存器和視頻格式進(jìn)行配置，編譯芯片驅(qū)動程序，通過超級終端下栽到芯片中，通過CH7024編碼芯片將不同格式的輸入信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成CVBS視頻的信號輸出，這樣可減少電路的硬件設(shè)計，并通過對軟件的修改來接收不同視頻格式的信號。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的模塊能夠適應(yīng)多種視頻格式的信號，且編碼后的CVBS視頻信號輸出距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；視頻編碼；視頻輸出；驅(qū)動程序

0 引言
    在無人機(jī)視頻采集系統(tǒng)中，對于視頻信號的要求比較高，采集到的模擬視頻信號在ARM9處理器中經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，視頻壓縮編碼后通過無線傳輸?shù)降孛婊?，通過視頻編碼芯片將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出到顯示設(shè)備上。由于目前數(shù)字視頻具有多種格式，然而，普通的視頻編碼模塊的輸入接口比較單一，不能很好地兼容多格式的視頻輸入信號，故輸出的模擬信號抗干擾性和傳輸距離都不是太好。
    針對上述問題，本文提出了一種基于Freescale的MX27處理器，以Linux 2．6．19為內(nèi)核操作系統(tǒng)的多格式視頻輸入編碼模塊設(shè)計方案。硬件方面，以CH7024為主芯片進(jìn)行電路板設(shè)計；軟件方面，在Linux環(huán)境下，根據(jù)芯片的特點(diǎn)，編寫相應(yīng)的驅(qū)動程序和寄存器配置。通過加載驅(qū)動程序，將不同格式的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換為CVBS復(fù)合視頻信號，相比其他的模擬視頻輸出信號，CVBS復(fù)合視頻信號將亮度、色度、同步和色彩脈沖信息整合到一根電纜內(nèi)，具有傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計方案
1. 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    硬件連接如圖1所示，將MX27中LCD控制器輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號(包括像素數(shù)據(jù)LD[17：0]、像素時鐘LSCLK，行同步信號LP／HSYNC、場同步信號pLM／VSYNC，數(shù)據(jù)使能信號ACD／OE)接入CH7024的數(shù)字輸入接口。此外，將MX27中I2C控制器的SPC，SPD線直接與CH7024相應(yīng)的信號線連接。

1．2 視頻輸出接口設(shè)計
    由于以前的芯片輸入數(shù)據(jù)只有16位，接口兼容性不好，而選擇的CH7024有24位視頻數(shù)據(jù)信號線，可接收不同的數(shù)據(jù)格式，包括RGB和YC-rCb(如RGB565，RGB666，RGB888，像ITU656的YCrCb)，可接收24b／18b／15b／12b／8b等多路復(fù)用數(shù)字輸入。為了能在系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障時方便地進(jìn)行復(fù)位，設(shè)計中添加了人工復(fù)位電路，這也是以前芯片所沒有的。應(yīng)用CH7024芯片設(shè)計的編碼器，具有很好的兼容性和通用性，所以選擇用CH7024主芯片進(jìn)行設(shè)計。
    CH7024視頻編碼芯片的輸入接口最多能接收到的視頻信號位數(shù)為24位，輸入格式為RGB888。這樣RGB每個通道用8 b來表示，但是對于RGB 666和RGB565等格式的視頻信號就涉及到每個通道用幾位來表示某個顏色的問題。對于RGB666來說，每個通道用6b來表示；對于RGB565來說，R和B每通道用5 b表示，G通道用6 b表示。對于RGB666和RGB565格式的視頻信號，在設(shè)計中芯片上的24位數(shù)據(jù)線分配情況如圖2所示。通過對相關(guān)寄存器的配置，實現(xiàn)對不同格式視頻信號的接收，使其具有較好的兼容性。該方案是以MX27處理器為平臺進(jìn)行設(shè)計的，MX27輸出的視頻信號為18位數(shù)據(jù)，這樣MX27處理器發(fā)出的RGB666和RGB565格式的視頻，都能通過該方案設(shè)計的編碼器進(jìn)行編碼。

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2 視頻編碼器軟件設(shè)計
2．1 I2C總線
    I2C總線是一種兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和器件引腳的數(shù)量，降低了互聯(lián)成本。I2C總線可支持多主機(jī)控制，其中任何能夠進(jìn)行發(fā)送和接收的設(shè)備都可以成為主控端。
    I2C總線的串行總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成，可用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并可在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送。在數(shù)據(jù)傳送過程中共有3種信號，分別是開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。其中，開始信號是在SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)；結(jié)束信號是在SCL為低電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)；應(yīng)答信號是接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 b數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示己收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應(yīng)答信號，CPU接收到應(yīng)答信號后，根據(jù)實際情況判斷是否繼續(xù)傳輸信號。若未收到應(yīng)答信號，則認(rèn)為受控單元出現(xiàn)故障，如圖3所示。

2．2 視頻數(shù)據(jù)的傳輸
    在該設(shè)計中，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過MX27處理器后轉(zhuǎn)換為RGB輸送到LCDC中，通過CH7024輸入接口接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞饺鐖D4所示。當(dāng)場同步信號(VSYNC)產(chǎn)生低電平時，說明新的一幀數(shù)據(jù)需要采集，這時采集到的是有效視頻信號；當(dāng)場同步信號再次產(chǎn)生低電平時，一幀數(shù)據(jù)采集完成，等待進(jìn)入下一幀數(shù)據(jù)的采集。在場同步信號之間有n行數(shù)據(jù)，現(xiàn)以其中一行數(shù)據(jù)來分析，只要開始采集和采集完一行數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生行同步信號(HSYNC)，當(dāng)行同步信號產(chǎn)生低電平時，說明要采集的一行為有效數(shù)據(jù)，在等待中斷采集；即當(dāng)OE為下降沿時，開始采集一行數(shù)據(jù)；當(dāng)OE變?yōu)樯仙貢r，一行數(shù)據(jù)采集完畢。圖中給出的LINE[1：n]是說一幀圖像有n行，每行有m個像素，也就說一幀圖像的大小為n×m。

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2．3 寄存器配置
    在完成對CH7024的硬件電路設(shè)計后，需要在軟件上對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置，在CH7024．C驅(qū)動程序中將相應(yīng)寄存器地址后面的值進(jìn)行配置，如視頻輸入格式、輸出格式、分辨率大小等。CH7024寄存器的初始化相關(guān)程序代碼如下：

2．4 驅(qū)動程序編譯加載
    由于應(yīng)用環(huán)境是在Linux操作系統(tǒng)下，開發(fā)板中用的是Linux 2．6．19內(nèi)核，在內(nèi)核中并沒有CH7024相關(guān)的驅(qū)動模塊，這就需要把編寫好的驅(qū)動程序加載到內(nèi)核中，生成需要的模塊形式，重新編譯內(nèi)核，下載到開發(fā)板上。
    向內(nèi)核中添加TVOUT CH7024驅(qū)動的流程如下：
    (1)選擇一個放置驅(qū)動代碼的位置：drivers／video／mxc／把代碼放到這個目錄中。
    (2)在drivers／video／mxc／添加Kconfig文件，內(nèi)容如下：
   

    (3)編寫makefile，內(nèi)容為：
   
    (4)修改上一級Makefile和Kconfig，即video目錄下的Makefile和Kconfig，在Makefile中添加：
   
    (5)在arch/arm的Kconfig中添加：

    至此，修改完畢。此時可以使用make menuconfig。出現(xiàn)內(nèi)核配置的窗口如圖5所示。

    選擇device drivers→graphics support可以看到，出現(xiàn)了TVOUT CH7024 driver support→選項，進(jìn)入選擇“M”，即將驅(qū)動程序編譯成動態(tài)加載模塊，然后通過“make modules”命令生成了CH7024．ko文件。將CH7024編碼器的輸入端連接到PC機(jī)，輸出端連接到監(jiān)視器上，上電后，將生成的模塊文件由超級終端下載到開發(fā)板上，在終端中用insmod CH7024．ko加載驅(qū)動。CH7024．ko驅(qū)動加載時，會通過I2C讀CH7024的寄存器信息，并打印它的ID號“Chip version ID(0x22)=0x22”，如果等式右邊的值與左邊括號里的值不等，則說明I2C有問題，或者沒有加載其驅(qū)動，TVOUT則不能正常工作。在I2C正確的情況下，加載相關(guān)視頻采集驅(qū)動程序，通過CCD攝像頭采集到的視頻就能在監(jiān)視器上看到。

3 結(jié)果分析
    在實驗中該方案能夠通過攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，并能在監(jiān)視器上實時看到采集的視頻圖像。由于輸入接口設(shè)計成了接收不同格式的視頻信號，使其能夠接收多種格式的視頻信號，編碼器不用更改硬件，只需要在軟件方面做相應(yīng)的修改就能實現(xiàn)不同格式視頻的接收。

4 結(jié)語
    通過對視頻編碼芯片的軟硬件設(shè)計，使CH7024芯片能夠接收多種格式的視頻信號，由于CVBS信號傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)，將不同格式的視頻信號轉(zhuǎn)換成CVBS復(fù)合視頻信號。隨著技術(shù)的發(fā)展，處理器芯片的輸出視頻數(shù)據(jù)為24位，該設(shè)計的編碼器也能應(yīng)用，節(jié)省設(shè)計成本，縮短開發(fā)周期，具有一定的實用性。