一款实用智能高清电视视频转换器的设计

摘要：描述了一种高清电视视频转换器的具体实现原理和方法。本系统可以方便地将复合电视视频信号转换成多种不同分辨率的VGA信号，普通的模拟电视信号经过此系统转换后就可以直接送入到各种液晶显示器。使用本系统，用户不用购买价格昂贵的液晶电视就可以达到收看液晶电视节目的目的。
关键词：电视；液晶显示器；视频转换；VGA；复合视频

引言
    传统的CRT电视由于体积庞大、功耗高和显示效果差等缺陷得不到市场认可，而目前市场上的LCD、LED液晶电视价格还是比较昂贵。与此同时，配置液晶显示器的家用个人电脑系统却越来越普及。
    众所周知，液晶显示器的功耗远小于CRT电视的功耗，并且液晶屏的显示效果远远优于CRT显示屏。如何使广大家庭用户不用购置价钱不菲的液晶电视，利用电脑液晶显示器就能收看到液晶电视节目呢?本文设计的一款实用智能高清电视视频转换器就可以达到上述目的。本系统不仅能实现投入成本低且提升广大居民生活质量的目的，而且也满足国家“节能减排”的目标要求。另外，在一些安防应用领域，由于很多视频监控设备输出的信号都是模拟复合视频信号，因此安防领域中的显示设备都是采用专业的监视器(或电视)来实现的，使用此设备后，就可以采用普通的电脑显示器来显示监控视频图像，从而大大降低安防成本。

1 现有技术方案
    目前，通过电脑显示器观看电视节目一般采取以下3种方式：
    ①通过实现宽带上网功能的电脑主机来实现。电脑主机在线点播电视台电视节目服务器上的有关电视节目，然后在本地通过软件实现音／视频信号的解码功能，从而实现电视节目的实时在线观看。
    ②通过电视卡实现。电视卡插到电脑主板的PCI、PCI-E插槽上或USB接口上，通过电视卡接收电视射频信号，解调后的数字电视信号经过解码芯片解码，恢复出原始的音／视频信号，再通过电脑主板内部总线分别送到电脑的显卡和声卡，从而在电脑显示屏显示电视节目图像信号，从电脑音箱输出电视节目音频信号。
    ③通过电视盒来实现。电视盒内部的高频头接收电视射频信号，解调后的数字电视信号经专门的解码芯片后恢复出原始的音／视频信号。一方面视频信号经电视盒内的视频处理器转化成显示器能直接识别的模拟信号输出，另一方面音频信号则需要经音频芯片进行处理，最终由音箱输。
    对于第1种方式，虽然实现了用电脑显示器观看电视节目，但必须配备开通了宽带上网功能的电脑主机，这样又给用户增加了额外的费用支出。对于第2种方式，也实现了通过电脑显示器观看电视节目，其条件是除了要有电脑主机的参与外，还必须外挂专门的电视卡。对于第3种方式，虽然不用电脑主机的参与就可以实现电脑显示器观看电视，但由于在电视盒内部要完整地实现数字音／视频信号的解码功能，不但硬件实现复杂、成本比较高，而且实时性不好。另外，上述3种方式都不能实现对数字电视节目的解密功能，因此接收的电视节目数量都很有限。

2 系统硬件设计
2．1 系统连接方式
    本系统提出了采用一种简单直通式的电视视频转换器的方法，解决上述3种方式存在的问题。本系统将机顶盒输出的复合视频信号转换成VGA信号，送入普通电脑显示器，同时将机顶盒输出的左／右声道音频信号进行接口转换，送入电脑音箱。这样就实现了无需电脑主机的参与，通过普通电脑显示器观看电视节目的目的。由于本系统的信号来源于有线电视网络，因此接收到的电视节目频道数比普通的电视盒要多得多。在本系统中，电视视频转换器连接示意图如图1所示。

    在实际使用中，用户可以根据实际液晶显示器的尺寸，通过设置电视视频转换器的不同工作模式输出不同分辨率格式的VGA图像，达到在液晶显示器上的最佳视频显示效果。另外，一些安防监控设备输出的视频监控信号也可以按照图1所示的方式将信号输入到电视视频转换器，转换成VGA信号后再接入普通电脑显示器。
2．2 硬件工作原理
    系统硬件总体框图如图2所示。

    本系统功能主要由3个主芯片来实现，包括TW9910、TV5725和ATmega128L。TW9910将CVBS(电压峰值为1 V)格式的复合视频信号转换为27 MB的BT．656数字视频信号。TW9910的外围模块工作电压是3．3 V，内核1．8 V核心电压，功耗大约0．3 W。TV5725则将来源于TW9910的BT．656数字视频信号转换为多种格式标准(640×480、800×600、1024×768、1280×1024、1920×1200)的VGA模拟视频信号。通过配置TV5725内部各模式寄存器的不同参数，实现多种不同格式分辨率的VGA输出。ATmega128L单片机系统通过I2C总线接口来对TW9910和TV5725的内部寄存器进行读／写操作访问。I2C总线接口的访问速度设置为240kb／s，以实现两个芯片内部寄存器数据的稳定访问。
    普通的复合视频信号通过外部连接头经匹配电阻输入到TW9910的第13引脚。在此信号的输入通道上，还需外接一个接地瞬态二极管，以达到静电保护的目的，防止外接的视频信号接入高电压信号到TW9910芯片从而烧毁芯片。接入的模拟复合视频信号经过TW9910内部处理后，变成27 MHz的标准BT．656数字视频信号输出。为保证数字信号的信号质量，输出的数字视频信号还需外接匹配电阻。
    TW9910输出的27 MHz标准BT．656数字视频信号再输入到TV5725芯片的BT．656硬件接口上。BT．656数字视频信号经过TV5725内部处理后，变成标准的模拟VGA信号，输出到TV5725的VGA硬件接口上。芯片输出不同的分辨率格式是通过设置内部寄存器的不同参数来实现的。另外，为了能缓存数字视频信号，同时方便系统提供OSD功能、多画面功能等，TV5725还外接一个8MB的通用SDRAM芯片(HY57V643220)。
    音频接口转换电路只是实现简单物理接口的转换。它将机顶盒送来的两路RCA接口(莲花头)音频信号分别转接到电脑音箱的3．5 mm的左／右声道上。
    电源模块提供整个系统的工作电源。整个系统通过外接5 V／2 A的直流电源模块来供电。内部通过两个DC～DC转换芯片把5 V直流电转换为3．3 V和1．8 V。这两个DC—DC转换芯片型号为AIC1084-3．3和AIC1084-1．8。
    复位模块提供整个系统稳定的全局复位信号。整个系统的全局复位信号由专用复位芯片(SP706)来实现，以保证能输出稳定的200 ms的低电压复位信号。
2．3 系统总线
    本系统主要包括两条总线：一条是I2C控制总线，主要是提供ATmega128L、TW9910及TV5725之间的通信连接，实现ATmega128L对TW9910和TV5725的工作模式设置和工作状态的读取，这条总线是控制总线。另外一条是BT．656数字视频接口总线，用于连接TW9910和TV5725之间的数字视频信号，这条总线是业务总线接口。
2．3．1 I2C控制总线
    本系统利用I2C总线作为系统内部的控制总线。单片机ATmega128L通过I2C总线，对TW9910和TV5725的工作模式寄存器写入不同的值，实现对TW9910和TV5725不同工作模式的设置。ATmega128L还通过I2C总线读出TW9910和TV5725内部的工作状态寄存器的值，从而获取这两个转换芯片的内部工作状态信息。
2．3．2 BT．656数字视频接口总线
    为了便于国际间的节目交换，以及消除数字设备之间的制式差别，实现625行电视系统与525行电视系统相互兼容，向着数字电视广播系统参数统一化、标准化迈进，在1982年2月国际无线电咨询委员会(CCIR)第15次全会上，通过了601号建议，确定以分量编码为基础，即以亮度分量Y和两个色差分量R—Y、B—Y为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准，601号建议单独规定了电视演播室的编码标准。
    BT．656只是数据传输接口而已，可以说是作为BT．601标准的一个传输方式。简单地说，ITU—R BT．601是“演播室数字电视编码参数”标准，而ITU-R BT．656则是ITU—R BT．601附件A中的数字接口标准，主要用于数字视频设备(包括芯片)之间采用27 Mb／s并口或243Mb ／s串行接口的数字传输接口标准。
    BT．656接口定义了一个并行和串行的接口，用于在数字视频设备间传输4：2：2的YCbCr数字视频数据流。BT．656接口在硬件上面只包括一个8／10位的YCbCr数据信号和一个时钟信号。传统的视频信号中的同步信号HSYNC、VSYNC、BLANK信号都是通过在数据线上按照一定的硬件传输协议进行区分。
    在本系统中，数字视频处理芯片TV5725和TW9910之间就是通过BT．656硬件接口进行连接的。

3 系统软件设计
    本系统的软件主要是完成对TW9910和TV5725两个芯片内部工作模式的设置和芯片内部工作状态的读取。具体实现上是由ATmega128L单片机通过I2C总线对TW9910和TV5725两个芯片内部的相关寄存器进行读／写操作来完成。系统软件流程图如图3所示。

    首先对AVR单片机进行初始化，主要包括I／O引脚端口功能设置、时钟频率的设置等。接着对AVR单片机内部的I2C总线控制器进行设置，主要是工作模式和访问速度的设置。然后，再将TW9910的寄存器设置参数通过AVR单片机经I2C总线写入到TW9910内部相应的寄存器具体地址中。如果写入成功，则程序继续进行TV5725的初始化；如果不成功，则跳转到程序异常指示灯闪烁部分执行。
    TV5725工作模式设置部分也是通过AVR单片机完成(包括通过面板选择按键设置显示器分辨率参数)，通过I2C总线写入到TV5725内部相应的寄存器具体地址中。如果写入成功，则继续执行正常指示灯闪烁部分程序；如果不成功，则跳转到程序异常指示灯闪烁部分执行。用户根据指示灯的闪烁情况来判断系统软件执行是否正常。

结语
    本文描述了一种智能高清电视视频转换器的具体实现原理和方法。通过此方法实现的视频转换系统可以方便地将复合视频信号转换成多种不同分辨率的VGA信号，实现通过普通电脑显示器收看液晶电视节目的功能。相对于传统的CRT电视，既可以大大降低功耗，又可大幅提高显示效果。另外，本设备也可以应用于安防监控领域，降低安防监控系统的建设成本。根据本方案设计的产品样机成功参展了第11届高新技术成果交易会。