基于SAA7111A的模拟视频转换接口设计
时间：2006-12-25 10:48:00
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[导读]本文介绍的方案主要采用集成电路设计，体积小，成本低，外围模拟器件少，全部控制均可通过软件实施，初始化和等待时间极短，可适用于板卡或小型手持终端等数字化多媒体应用场合。
1 引言
视频信号中不仅包含图像信号，还包含行同步、行消隐、场同步、场消隐等信号，对于如何将模拟视频信号在各种接口显示屏上进行显示，很多人常常会感到束手无策。传统方案大量使用模拟分离元件，不仅较为复杂，而且难于调试。本文介绍的方案主要采用集成电路设计，体积小，成本低，外围模拟器件少，全部控制均可通过软件实施，初始化和等待时间极短，可适用于板卡或小型手持终端等数字化多媒体应用场合，系统框图见图1。系统主要包括两个部分：一是视频解码模块，目的是将复合视频、YC分量等模拟视频信号进行A/D转换，提取其中的同步和时钟信号，所有转换电路均集中在一块芯片内；二是视频转换模块，作用是直接输出模拟RGB、数字RGB或数字YUV视频信号，实现隔行到逐行扫描的转换，由于普通CVBS信号均为隔行扫描，对于逐行显示器，该部分必不可少，处理后的信号可直接显示或用于视频采集系统，也可用于其它格式显示（需转换）。另外，FPD链路(Flat Panel Display Link)传输部分可以实现远距离（最远10m）数字RGB视频显示（数字RGB视频信号频率太高无法实现远距离传输）。
2 解码器选型
TV解码器可选用PHILIPS公司的SAA7110/7111A/7112/7113/7114/7115/7118、SAMSUNG公司的KS0127（S5D0127X01）或ITT公司的VPC3211B，它们可通过IIC总线接口控制，自动识别输入模拟视频信号格式，然后解码输出24bit/16bit的 RGB或YUV数字信号和Hsync，Vsync，HAV(HREF)控制信号及采样时钟，解码后的信号可直接送到视频转换模块或视频采集系统。根据AVERLogic公司发布的技术文档，PHILIPS公司的解码器解码效果最好，其次是VPC3211B，KS0127虽然功能强大价格便宜，但是解码效果稍逊一些，而且该芯片的最大缺点是功耗太大（将近1W）。据笔者调研，SAA7114效果最好，但由于种种因素，本方案采用SAA7111A，它采用CMOS工艺，功耗小（小于0.5W），电压低（3.3V），体积小（1cm2）, 温度适应范围广（10℃-80℃），具有以下特点：
（1） 自动进行50/60Hz场频的检测，支持NTSC和PAL制自动转换，可对NTSCM/N/4.43/JAPAN、PAL?M/N/BGHI/、SECAM格式视频信号的亮度和色度进行处理。
（2） 拥有4路模拟输入：4路复合视频（CVBS）或2路YC或1路YC和2路CVBS。
（3） 可设置CVBS或YC通道为静态增益控制或自动增益控制（AGC）。
（4） 拥有2路亮度和色度梳状滤波器，可对亮度、对比度、光圈和饱和度进行控制。
（5） 行（HREF）、场（VREF）同步、奇偶帧（RES1）和像素时钟（LLC）信号均可由管脚引出。
（6） 可支持以下输出格式：4:2:2(16位)、4:2:2（CCIR601 8位）、4:1:1（12位） YUV格式或8:8:8（24位）、5:6:5（16位）RGB格式。
（7） 具有符合IEEE1149.1标准扫描逻辑的边界扫描测试电路。
（8） 64引脚的LQFP封装(尺寸：10mm×10mm×1.4mm)，功耗小于0.5W。
鉴于该芯片在很多杂志上都有介绍，这里不再赘述。
3 视频转换器
AL251是AVERLogic公司生产的一款功能强大的显示转换控制芯片，主要用于LCD VGA显示或视频编辑应用场合，它能够接收隔行NTSC或PAL,ITU?RBT601(CCIR601)或平方像素，YUV422或RGB565数字信号，将其转换成普通PC显示器可以接收的模拟RGB格式视频信号和用于在VGA LCD上显示的YUV422或RGB565格式的逐行数字视频信号。AL251有多种控制功能，可由微处理器通过IIC接口实现诸如自动识别PAL制/NTSC式、调整屏幕位置、过滤视频噪声、OSD（在屏显示）、视频LUT(Lookup Table)、POWERDOWN等功能，可不需软件控制进行硬初始化。AL251具有AVERLogic特有的数字信号处理技术，处理过的图像更加平滑、有更少的闪烁和锯齿边沿。该芯片供电电压为3.3V或5V，采用80引脚QFP封装形式。
AL251原理框图如图2所示。
3.1 输入输出数据格式
AL251可输入输出两种数据格式：YUV422或RGB565。输入视频格式由引脚INTYPE（1为YUV422，0为RGB565）决定，输入接口见表1；输出视频格式由控制寄存器08h选择，输出接口见表2。AL251的精度依靠之前的视频解码器，不需要软件控制，最高支持1024×768。其VCLK由解码器提供。
3.2 在屏显示
AL251提供两个通道支持在屏显示（OSD）功能，以实现在原输出上叠加控制菜单、文本或标题，以及产生一些诸如透明、不透明、底片、背景、网格等特殊效果。内通道实现内置OSD位图，外通道控制两个层叠引脚(OVLCTRL1 和 OVLCTRL0)用于在屏显示层叠和生成一些特殊的效果。无论是内通道还是外通道，OSD只能用于模拟视频和RGB565方式下输出，YUV422方式下不支持。
3.3 边界/边界颜色
在模拟输出时，AL251可以显示视频信号源中所有的像素，这样就能显示比普通显示器更大的区域，这点对于DVD数字视频源是有利的，但是对于一些类似VCR的视频源，则会出现边界不齐的后果。为此，AL251通过剪裁视频源进行边界控制，另外，裁剪后的边界颜色（24位）可以通过寄存器设置。
3.4 寄存器描述
AL251共设有42个内部控制寄存器。其中，00h～04h是配置状态寄存器，用于显示公司ID(46h)、版本号和芯片序列号以及设置芯片的工作状态（视频信号的输入类型和格式）；08h，09h是同步控制和状态寄存器，用于设置各种同步信号的方式和极性，报告当前各类同步信号的状态；0Ch～0Eh是边界颜色寄存器，用于设置边界颜色的红、绿、蓝分量值；10h～13h是LUTOSD寄存器；14h～1Dh是层叠控制寄存器，用于设置层叠的效果和颜色。
4 链路介绍
为了增加传输距离，LCD和AL251之间可采用FPD链路连接。本方案采用National 半导体公司的LVDS（Low Voltage Differential Signaling）DS90C363/DS90CF364传输套片，传输距离最远可达10m。该套片为18位FPD链路,工作电压3.3V，48引脚TSSOP封装，其中DS90C363是发送器，可将18位RGB数据和3位LCD定时和控制数据（FPLINE/GHS、FPFRAME/GVS、DRDY/ENAB/GHREF）在一个时钟周期内转换成3组LVDS，在65MHz发送时钟频率下，每个LVDS通道的发送速率高达455Mbps，数据吞吐量为每秒170兆字节，该发送器可选择为上升沿或下降沿触发；DS90CF364为接收器，它可将接收到的LVDS数据流再转换成TTL/CMOS数据，以便于多路数字信号的高速远距离传输。该套片支持VGA，SVGA，XGA或更高的分辨率。在使用时，设计者不需改变原先电路引接关系。
图3是该转换系统的硬件电路示意图，使用3.3V电源。本系统采用Cygnal公司的C8051F020处理器进行控制，选用SHARP公司的LQ64D341 TFT液晶屏，分辨率为640×480，接口为18位数字RGB方式，逆变器选用TDK的CXAM10A。
图中， PAL/NTSC/SECAM三种制式视频信号可通过SAA7111A的AI11/AI12/AI21/AI22通道输入，如是S端子则占用两路输入通道，其中AI12接S端子的3脚，AI22接S端子的4脚，S端子的1、2引脚接地，实际的使用端口可通过软件选择进行设置。24.576MHz的基准时钟信号通过XTALI输入； AL251的VCLK，VIDHS，VIDVS，HREF 是输入视频信号的行场同步和采样时钟； SQUARE是平方像素和CCIR601选择设置（1/0），这里选用CCIR方式；OVLCTRL0/1是层叠控制，00是无层叠； GHS，GVS是输出视频信号的行场同步，模/数RGB接口共用这两根引脚；SAA7111A输出的LLC时钟信号直接与液晶屏的GCLK引脚相接，GHREF是液晶屏的显示使能,VREF用于模拟RGB端口（如不使用可悬空）。由于AL251的数据输出口是16位的，而LQ64D341是18位的，这里将R0和B0接地，其余引脚对应关系不变。SDA和SCL是IIC控制接口,各接一个4.7kΩ上拉电阻，SAA7111A的读/写地址是49h/48h，AL251的读/写地址是59h/58h。
根据笔者经验，有几点需要注意：(1) 由于该电路用于电视信号，频率较高，一定要将模拟地和数字地、模拟电源和数字电源分开，在供电和接地处用一磁珠或导线连接；(2) 如有可能应使用四层板设计，且模拟信号部分和数字信号部分分开；（3）模拟信号输入端的信号线应该较粗较短，并且周围环绕地线，四个模拟输入引脚无论是否在用，全部接上耦合电容和匹配电阻；（4）每个芯片的电源引脚尽可能近地接上一个0.1μF电容；（5）与LCD相接的数字RGB电缆不要太长；（6）对于各个时钟信号要细心设计，最好用地与其它信号隔离。
6 软件编程
软件操作上不太复杂，只要针对具体应用对芯片进行初始化即可，如果需要诸如OSD、亮色度控制操作，只需改变对应寄存器值即可，完整的IIC底层驱动程序可从周立功网站上下载。另外强调几点：（1）IIC的延时时间要根据所使用的处理器主频作出调整。（2）比较技术文档上给的参数，实际图像位置有所偏差，这需要开发者进行调整，主要有SAA7111A上的06、07寄存器和AL251的20~29寄存器，它们主要用于调整行场同步和屏幕位置。（3）SAA7111A中1F寄存器可显示视频信号的制式，可据此对屏幕位置作不同的初始化，同时AL251不要使用硬缺省方式，否则屏幕容易偏位。
该方案虽然简单易用，但其缺点是对于混合在视频信号中的干扰反应敏感.
参考文献
1 李维，郭强. 液晶显示应用技术.北京: 电子工业出版社, 2000
视频信号中不仅包含图像信号，还包含行同步、行消隐、场同步、场消隐等信号，对于如何将模拟视频信号在各种接口显示屏上进行显示，很多人常常会感到束手无策。传统方案大量使用模拟分离元件，不仅较为复杂，而且难于调试。本文介绍的方案主要采用集成电路设计，体积小，成本低，外围模拟器件少，全部控制均可通过软件实施，初始化和等待时间极短，可适用于板卡或小型手持终端等数字化多媒体应用场合，系统框图见图1。系统主要包括两个部分：一是视频解码模块，目的是将复合视频、YC分量等模拟视频信号进行A/D转换，提取其中的同步和时钟信号，所有转换电路均集中在一块芯片内；二是视频转换模块，作用是直接输出模拟RGB、数字RGB或数字YUV视频信号，实现隔行到逐行扫描的转换，由于普通CVBS信号均为隔行扫描，对于逐行显示器，该部分必不可少，处理后的信号可直接显示或用于视频采集系统，也可用于其它格式显示（需转换）。另外，FPD链路(Flat Panel Display Link)传输部分可以实现远距离（最远10m）数字RGB视频显示（数字RGB视频信号频率太高无法实现远距离传输）。
2 解码器选型
TV解码器可选用PHILIPS公司的SAA7110/7111A/7112/7113/7114/7115/7118、SAMSUNG公司的KS0127（S5D0127X01）或ITT公司的VPC3211B，它们可通过IIC总线接口控制，自动识别输入模拟视频信号格式，然后解码输出24bit/16bit的 RGB或YUV数字信号和Hsync，Vsync，HAV(HREF)控制信号及采样时钟，解码后的信号可直接送到视频转换模块或视频采集系统。根据AVERLogic公司发布的技术文档，PHILIPS公司的解码器解码效果最好，其次是VPC3211B，KS0127虽然功能强大价格便宜，但是解码效果稍逊一些，而且该芯片的最大缺点是功耗太大（将近1W）。据笔者调研，SAA7114效果最好，但由于种种因素，本方案采用SAA7111A，它采用CMOS工艺，功耗小（小于0.5W），电压低（3.3V），体积小（1cm2）, 温度适应范围广（10℃-80℃），具有以下特点：
（1） 自动进行50/60Hz场频的检测，支持NTSC和PAL制自动转换，可对NTSCM/N/4.43/JAPAN、PAL?M/N/BGHI/、SECAM格式视频信号的亮度和色度进行处理。
（2） 拥有4路模拟输入：4路复合视频（CVBS）或2路YC或1路YC和2路CVBS。
（3） 可设置CVBS或YC通道为静态增益控制或自动增益控制（AGC）。
（4） 拥有2路亮度和色度梳状滤波器，可对亮度、对比度、光圈和饱和度进行控制。
（5） 行（HREF）、场（VREF）同步、奇偶帧（RES1）和像素时钟（LLC）信号均可由管脚引出。
（6） 可支持以下输出格式：4:2:2(16位)、4:2:2（CCIR601 8位）、4:1:1（12位） YUV格式或8:8:8（24位）、5:6:5（16位）RGB格式。
（7） 具有符合IEEE1149.1标准扫描逻辑的边界扫描测试电路。
（8） 64引脚的LQFP封装(尺寸：10mm×10mm×1.4mm)，功耗小于0.5W。
鉴于该芯片在很多杂志上都有介绍，这里不再赘述。
3 视频转换器
AL251是AVERLogic公司生产的一款功能强大的显示转换控制芯片，主要用于LCD VGA显示或视频编辑应用场合，它能够接收隔行NTSC或PAL,ITU?RBT601(CCIR601)或平方像素，YUV422或RGB565数字信号，将其转换成普通PC显示器可以接收的模拟RGB格式视频信号和用于在VGA LCD上显示的YUV422或RGB565格式的逐行数字视频信号。AL251有多种控制功能，可由微处理器通过IIC接口实现诸如自动识别PAL制/NTSC式、调整屏幕位置、过滤视频噪声、OSD（在屏显示）、视频LUT(Lookup Table)、POWERDOWN等功能，可不需软件控制进行硬初始化。AL251具有AVERLogic特有的数字信号处理技术，处理过的图像更加平滑、有更少的闪烁和锯齿边沿。该芯片供电电压为3.3V或5V，采用80引脚QFP封装形式。
AL251原理框图如图2所示。
3.1 输入输出数据格式
AL251可输入输出两种数据格式：YUV422或RGB565。输入视频格式由引脚INTYPE（1为YUV422，0为RGB565）决定，输入接口见表1；输出视频格式由控制寄存器08h选择，输出接口见表2。AL251的精度依靠之前的视频解码器，不需要软件控制，最高支持1024×768。其VCLK由解码器提供。
3.2 在屏显示
AL251提供两个通道支持在屏显示（OSD）功能，以实现在原输出上叠加控制菜单、文本或标题，以及产生一些诸如透明、不透明、底片、背景、网格等特殊效果。内通道实现内置OSD位图，外通道控制两个层叠引脚(OVLCTRL1 和 OVLCTRL0)用于在屏显示层叠和生成一些特殊的效果。无论是内通道还是外通道，OSD只能用于模拟视频和RGB565方式下输出，YUV422方式下不支持。
3.3 边界/边界颜色
在模拟输出时，AL251可以显示视频信号源中所有的像素，这样就能显示比普通显示器更大的区域，这点对于DVD数字视频源是有利的，但是对于一些类似VCR的视频源，则会出现边界不齐的后果。为此，AL251通过剪裁视频源进行边界控制，另外，裁剪后的边界颜色（24位）可以通过寄存器设置。
3.4 寄存器描述
AL251共设有42个内部控制寄存器。其中，00h～04h是配置状态寄存器，用于显示公司ID(46h)、版本号和芯片序列号以及设置芯片的工作状态（视频信号的输入类型和格式）；08h，09h是同步控制和状态寄存器，用于设置各种同步信号的方式和极性，报告当前各类同步信号的状态；0Ch～0Eh是边界颜色寄存器，用于设置边界颜色的红、绿、蓝分量值；10h～13h是LUTOSD寄存器；14h～1Dh是层叠控制寄存器，用于设置层叠的效果和颜色。
4 链路介绍
为了增加传输距离，LCD和AL251之间可采用FPD链路连接。本方案采用National 半导体公司的LVDS（Low Voltage Differential Signaling）DS90C363/DS90CF364传输套片，传输距离最远可达10m。该套片为18位FPD链路,工作电压3.3V，48引脚TSSOP封装，其中DS90C363是发送器，可将18位RGB数据和3位LCD定时和控制数据（FPLINE/GHS、FPFRAME/GVS、DRDY/ENAB/GHREF）在一个时钟周期内转换成3组LVDS，在65MHz发送时钟频率下，每个LVDS通道的发送速率高达455Mbps，数据吞吐量为每秒170兆字节，该发送器可选择为上升沿或下降沿触发；DS90CF364为接收器，它可将接收到的LVDS数据流再转换成TTL/CMOS数据，以便于多路数字信号的高速远距离传输。该套片支持VGA，SVGA，XGA或更高的分辨率。在使用时，设计者不需改变原先电路引接关系。
图3是该转换系统的硬件电路示意图，使用3.3V电源。本系统采用Cygnal公司的C8051F020处理器进行控制，选用SHARP公司的LQ64D341 TFT液晶屏，分辨率为640×480，接口为18位数字RGB方式，逆变器选用TDK的CXAM10A。
图中， PAL/NTSC/SECAM三种制式视频信号可通过SAA7111A的AI11/AI12/AI21/AI22通道输入，如是S端子则占用两路输入通道，其中AI12接S端子的3脚，AI22接S端子的4脚，S端子的1、2引脚接地，实际的使用端口可通过软件选择进行设置。24.576MHz的基准时钟信号通过XTALI输入； AL251的VCLK，VIDHS，VIDVS，HREF 是输入视频信号的行场同步和采样时钟； SQUARE是平方像素和CCIR601选择设置（1/0），这里选用CCIR方式；OVLCTRL0/1是层叠控制，00是无层叠； GHS，GVS是输出视频信号的行场同步，模/数RGB接口共用这两根引脚；SAA7111A输出的LLC时钟信号直接与液晶屏的GCLK引脚相接，GHREF是液晶屏的显示使能,VREF用于模拟RGB端口（如不使用可悬空）。由于AL251的数据输出口是16位的，而LQ64D341是18位的，这里将R0和B0接地，其余引脚对应关系不变。SDA和SCL是IIC控制接口,各接一个4.7kΩ上拉电阻，SAA7111A的读/写地址是49h/48h，AL251的读/写地址是59h/58h。
根据笔者经验，有几点需要注意：(1) 由于该电路用于电视信号，频率较高，一定要将模拟地和数字地、模拟电源和数字电源分开，在供电和接地处用一磁珠或导线连接；(2) 如有可能应使用四层板设计，且模拟信号部分和数字信号部分分开；（3）模拟信号输入端的信号线应该较粗较短，并且周围环绕地线，四个模拟输入引脚无论是否在用，全部接上耦合电容和匹配电阻；（4）每个芯片的电源引脚尽可能近地接上一个0.1μF电容；（5）与LCD相接的数字RGB电缆不要太长；（6）对于各个时钟信号要细心设计，最好用地与其它信号隔离。
6 软件编程
软件操作上不太复杂，只要针对具体应用对芯片进行初始化即可，如果需要诸如OSD、亮色度控制操作，只需改变对应寄存器值即可，完整的IIC底层驱动程序可从周立功网站上下载。另外强调几点：（1）IIC的延时时间要根据所使用的处理器主频作出调整。（2）比较技术文档上给的参数，实际图像位置有所偏差，这需要开发者进行调整，主要有SAA7111A上的06、07寄存器和AL251的20~29寄存器，它们主要用于调整行场同步和屏幕位置。（3）SAA7111A中1F寄存器可显示视频信号的制式，可据此对屏幕位置作不同的初始化，同时AL251不要使用硬缺省方式，否则屏幕容易偏位。
该方案虽然简单易用，但其缺点是对于混合在视频信号中的干扰反应敏感.
参考文献
1 李维，郭强. 液晶显示应用技术.北京: 电子工业出版社, 2000
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