摘要：視頻監控顯示器在工業、生活及軍事領域都有廣泛應用。本文設計了一種可在TFT液晶屏上顯示的視頻監控顯示器，以內嵌8051單片機的TFT液晶縮放引擎芯片為控制中心，以視頻轉換芯片TVP5150為硬件核心。電路將模擬視頻信號編碼為ITU-R BT．656類型的數據流。單片機管理整個工作流程，縮放引擎芯片進行圖像處理，把數據流轉換為低電壓差分信號，最終在液晶屏上獲得監控圖像。該顯示器結構輕薄，電路簡單，性能可靠，圖像顯示清晰穩定。
關鍵詞：TVP5150；ITU-R BT．656；圖形縮放引擎；低電壓差分信號
視頻監控系統目前在軍用車載偵察、日常生產、生活中應用十分廣泛。隨著數字化生活的進一步提高，當前視頻監控系統正逐步由模擬化走向數字化。現代常見的數字視頻處理系統通常使用視頻解碼芯片將模擬視頻信號直接轉換成數字信號，應用較多的有philips的SAA711 1、SAA7114，TI的TVPS022、TVP5150等。TI公司的視頻解碼芯片TVP5150以其卓越的性能和高性價比廣泛地得到應用，它能將模擬視頻信號轉換成為符合ITU-R BT．656標準的數字信號，使用數字化接口的LCD顯示器能獲得比傳統CRT顯示器更清晰、穩定的畫面。
視頻轉換處理電路是LCD監視器里最重要的組成部分，主要由視頻轉換芯片和液晶控制芯片(SCALER)組成。
1 系統總體設計方案
1．1 原理
本系統主要由視頻轉換模塊、8051內核單片機和液晶圖形縮放引擎(SCALER)組成，系統框圖如圖1所示。NOVATEK單片機通過I2C接口控制其余兩部分模塊的工作，TVP5150把復合視頻轉換成標準8位的ITU-RBI.656格式的數字信號傳輸到SCALER，SCALER通過解碼矩陣電路把解調后的信號轉換成三基色RGB信號，最后通過增益／偏移控制、伽馬校正、抖動處理和圖形縮放變成LVDS信號輸出到液晶屏，單片機通過串口連接主機可以檢測TVP5150和SCALER的工作狀態。
1．2 ITU-RIBT．656視頻標準
ITU-R BT.601是“演播室數字電視編碼參數”標準，而ITU-R BT.656則是ITU-R BT.601附件A中的數字接口標準。ITU-R BT．656輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數據格式，同步信號內嵌于數據流中串行輸出，也可以單獨引腳與數據流并行輸出。圖2所示為完整的一幀數據，分奇偶兩場，23～311行是偶數場數據，366～624行是奇數場數據，FID為奇偶場指示信號，在場同步信號(VSYNC)下降沿跳變。VBLK為場消隱信號，高電平有效，可以通過設置TVP5150寄存器來改變其長短，控制有效圖像數據輸出，因此在VBLK信號低電平期間對應輸出視頻有效數據。
每一行的數據結構如圖3所示。每行開始的288字節為行控制信號，開始的4字節為EAV(有效視頻結束)信號，緊接著280個固定填充數據，最后4個字節是SAV(有效視頻起始)信號。SAV信號和EAV信號有3字節的前導：FF、FF、00；最后1字節XY表示該行位于整個數據幀的位置以及如何區分SAV、EAV信號。
2 TVP5150視頻轉換模塊
2．1 視頻解碼芯片TVP5150
TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能視頻解碼器，在正常工作時，它的功耗僅115 mW，并且具有超小封裝(32腳的TQFP)，因此非常適用于便攜、批量大、高質量和高性能的視頻產品。它可以接收2路復合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號。通過單片機I2C總線設置內部寄存器，選擇信號AIPLA和AIPIB輸入到內部，AGC(自動增益控制)使得芯片可以支持最高1．5 Vp-p的信號電壓并使輸入信號達到ADC的最大量程，9位的ADC按內部PLL時鐘輸出像素數據。轉換后的數字信號經過梳狀濾波器進行Y、C分離，再進一步分離成U、V信號，最終經過格式轉換輸出8位ITU-R BT656信號。
2．2 TVP5150視頻轉換模塊電路
TVP5150視頻轉換模塊電路圖如圖4所示。
TVP5150僅使用1個14．318 18 MHz的晶體就支持多種視頻制式，并提供1個I2C接口來為視頻特性進行編程，包括色調、對比度、飽和度和亮度。數字和模擬核心輸入電壓為1．8 V，IO口電壓為3．3 V，每一個電源輸入引腳都要有1個0．1μF的去耦電容。
根據芯片要求，兩路輸入信號CH1和CH2通過1個0．1～1 μF電容輸入到芯片輸入引腳，輸入要進行阻抗匹配設計，防止對輸入信號的反射，電阻R1、R3(R2、R4)的關系是R1=75-R3，這樣可以根據實際輸入電壓進行分壓，保證輸入到引腳的電壓在0．75 V以下；YOUT[0：7]輸出8位YUV4：2：2信號或者內嵌同步的8位ITU-R BT656信號中。PCIX／SCLK腳時鐘信號可輸出13．5 MHz和27MHz兩種頻率。
2. 3 TVP5150寄存器配置
完成TVP5150的初始化，要通過I2C總線把參數寫入寄存器，主要有：選擇視頻輸入通道，當輸入為Composite信號時，可以選擇通道A或者通道B，當輸入為S-Video信號時，通道A輸入Luminance信號，通道B輸入Chrominance信號。輸出格式配置，在本系統中配置為8位ITU-RBT. 656格式的數據輸出。可以按照TVP5150規格書的寄存器初始化表配置。
3 SCALER視頻處理電路
3．1 NOVATEK圈形縮放引擎芯片
輸出的8位YUV4：2：2數字信號送到臺灣聯詠公司的SCALER芯片，NOVATEK是一款QFP-128Pin封裝的高集成度高性能的SCALER芯片，工作電壓3．3 V，內部核心電壓1．8 V，通過單片機I2C總線設置內部寄存器，可以接收雙路模擬RGB、逐行或隔行YUV的ITU-R BT．656、DVI等格式輸入視頻信號，直接輸出LVDS信號，可驅動當前大多數TFT液晶屏。
3．2 SCALER處理電路
SCALER處理電路如圖5所示，整個電路采用3．3 V供電，核心PLL電路電源是1．8 V。TVP5150和SCALER的接口簡單：SCALER芯片接收TVP-5150轉換出的8路YUV信號YOUT[7..0]信號和采樣時鐘信號SCLK，單片機對SCALER和TVP5150通過I2C接口進行寄存器配置，SCALER通過解碼矩陣電路把解調后的Y，B-Y，R-Y信號轉換成三基色RGB信號，最后經過逐行處理，增益／偏置控制、伽馬校正變成LVDS信號，即圖中信號TOM ／P、1、2、CLK輸出到液晶屏。
3．3 SCALER寄存器配置
要完成基本的顯示功能，SCALER要通過單片機的I2C指令寫入寄存器以完成以下功能：
1)液晶屏參數選擇：根據要點亮的液晶屏規格數，寫入合適的液晶屏參數，包括分辨率、行場頻、像素時鐘、行場同步寬度、行場前后沿寬度等，這些在程序中更改宏定義即可；
2)選擇輸入信號格式及輸入信號通道是YUV0還是YUV1，并打開數字端口控制，由此配置相應寄存器；
3)設置顯示區域行場起始、結束位置，設置ADC的增益和偏置以及根據輸入同步設置ADC_PLL控制；
4)設置YUV to RGB色彩轉換空間轉換系數。
4 單片機控制電路
單片機控制電路如圖6所示。單片機工作在12 MHz頻率下，REFCLKI給SCALER提供參考時鐘；SCL和SDA是和TVP5150、NOVATEK和24LC16進行I2C通訊的時鐘和數據，I2C總線是開漏極電路，必須加上拉電阻，SDA和SCL還用于單片機的在線編程；RX、TX是和PC通訊的RS232接口；BL-PWM、BL-ON是控制液晶屏逆變器的PWM亮度調節端和開關端；RFCLKI給SCALER提供參考時鐘；AUTO、POWER、RIGHT、LEFT等是OSD菜單的控制鍵。
單片機的工作流程如圖7所示。
5 電源設計
如果說單片機是整個系統的大腦，而電源就是心臟，好的電源是一個良好系統的最基本要求，本設計選用TI的開關電源TPS5430作為整個系統的主電源，提供穩壓5 V，LM1084-33 V提供給SCALER和TVP5150主工作電源，LM1117-1．8 V給SCALER和TVP5150的模擬和數字核心提供精準的1．8 V電源。
6 板卡設計難點
本設計方案中，SCALER內部采樣頻率最高可達201 MHz，LVDS輸出頻率最高可達85 MHz，這對信號完整性及電磁兼容性都是極大的挑戰。在視頻處理板卡的PCB設計中突出體現以下難點：
1)時序問題，工作頻率的提高和信號上升／下降時間的縮短，首先會使設計系統的時序余量縮小甚至出現時序方面的問題；
2)傳輸線效應導致的信號振蕩、過沖和下沖都會對設計系統的故障容限、噪聲容限及單調性造成很大的威脅；
3)信號沿的時間下降到1 ns后，信號之間的串擾成為很重要的問題；
4)當信號沿的時間接近0．5 ns時，電源系統的穩定性和電磁干擾(EMI)也十分關鍵。
視頻處理板卡PCB的設計策略如下所述：
1)數字電路設計
為了獲得更高性能的產品，電路板設計按4層板考慮，在元器件布局及布線過程中嚴格遵守高速電路設計原則，為確保系統功能的實現及整機性能指標達到檢測標準，在PCB布線時需要特別注意串接電阻降低高速電信號反射的影響及保證同一組數據同步到達。由于信號在頂層、底層與中間層的傳輸阻抗和傳輸速率不一樣，因此應盡量將接到同一器件的信號線分布在同一層上，并使導線長度相等。
2)電源設計
電源是系統正常工作的基礎，在設計中，應使用足夠多的電源層和地層，對AVDD、DVDD、AGND、DGND分層設計，并將模擬地與數字地單點接地，這樣可以避免模擬電路與數字電路相互影響，SCALER數字部分和模擬部分通過磁珠分開供電以消除干擾。
7 結束語
在引進和消化SCALER縮放引擎技術的基礎之上設計了這款基于TVP5150的視頻處理板卡。本板卡電路簡單、結構緊湊、功能完善、性能可靠、系統升級方便，在分辨率為800x600的液晶屏上顯示清晰，在程序中通過更改液晶屏時序參數可以驅動分辨率最高達1 600x1 200液晶屏，如果在輸入加上多路切換芯片還可以方便地升級為多路視頻監控顯示器，但是由于采用最簡單的ITU-R BT．656編碼，模擬轉數字損失一些細節，所以電視線還沒有CRT顯示器細致，這是下一步研究的重點。