一种非标准VGA－TV转换器的实现

摘要：介绍了以AL128芯片为核心设计的一种将非标准视频显示模式转换为标准电视视频制式的视频模式转换器。对该视频模式转换器的工作原理、硬件构成及设计思路等给以了详细的介绍。

关键词：AL128A－TV数字视频转换芯片 标准电视制式 非标准VGM显示模式 标准VGA显示模式 分光光度仪 视频采集卡 AL422视频存储器 AV9173视频锁相环芯片

由于历史原因，在标准VGA图形显示模式为广大生产厂家接受以前，许多仪器设备制造商都为自己的微机控制设备定制了专用的显示输出设备，特别是一些国外的医疗仪器、化学分析仪器及工业控制仪器的制造商。这些显示输出设备与其控制主机相连的方式是多种多样的，其中常见的是R、G、B三色信号加下行同步和场同步信号的视频输出方式，但输出的行频、场频、消隐及同步脉冲的宽度，以及R、G、B信号的输出电平值常常不同于标准的VGA格式。这些特别的显示输出设备或相关的设备一旦损坏，一般很难找到替代品，给用户造成很大的损失。例如，我校测试中心的一台日本产的红外光光度仪由于用于打印的热敏头损坏，使得原先打印输出的图形来分析结果，现在只能用显示屏上的图形上分析，给分析人员带来很大麻烦，更主要的问题在于显示的结果无法永久保留不来（该仪器无存储外设）。解决这一问题的最快捷的方法就是将设备的输出的非标准VGA信号转换顾标准的电视频制式信号，而后用视频采集卡将图像采集下来。这样使采集卡下来的数据既可以保存在硬盘上，又可以打印出来存档，非常方便。所以，解决问题的关键就在于选择一个合适的视频转换芯片。目前市售的VGA－TV转换器大都要求标准VGA转换模式输入，而且其核心处理芯片一般都采用模拟视频技术，无法将非标准的VGA模式下多种多样的行频和场频转换成标准电视制式的行频和场频，如AD722视频制式转换芯片。因此，我们选择格磊（Averlogic）公司生产的VGA－TV数字视频转换芯片－AL128，自动检测输入信号的行、场频率值，然后自动进行行、场频率调整，使最终输出的视频信号符合标准的电视制式。

1 AL128器件工作原理及性能特点简介

AL128芯片内主要包括数字视频处理器、数字电视编码器、视频缓存区、3路8bit模／数转换器、3路9bit数／模转换器、时序信号发生器、外存储器管理单 、以及各类寄存器和芯片接口电路等。其内部组成框图如图1的所示。

从图1中可以看出，AL128提供了模拟R、G、B电视信号输入接口，在模拟R、G、B信号送到数字视频处理器之前，需经过8bit模／数转换器，将模拟R、G、信号转换为数字R、G、B信号。而后将其送到数字视频处理器中，并通过行存储器和场存储器缓存，完成扫描方式变换、色度信号变换、行场频率调整以及数字滤波等数字信号处理工作。经过数字信号处理的视频数据被送到视频编码器，对亮度信号、色差信号以及色副载波信号等进行编码，使其输出变为符合广播电视标准的复合视频数字信号或S－Video和RGB数字视频信号。最后经过9bit的数／模转换器，将数字信号变成标准的模拟电视信号。图中的时序发生器主要是根据输入的行同步信号（GHSYNC）和场同步信与（GVSYNC）产生的AL128读写时序、控制时序、视频输出所需的各种信号及副载波信号等。除此之外，AL128芯片还提供I2C接口电路，使设计者可以使用外部微控制器去控制芯片内部32个寄存器，以满足用户的特殊要求。例如用户可以根据实际情况控制图像的截取位置、截取大小、 显示位置和放大比例等。当然， 为了节约成本，一般情况下也以不要外部微控制器。

AL128具有以下性能特点：

（1） 能将VGA视频显示转换为标准电视制式（NTSC／PAL）；

（2） 吭度集成化设计，内嵌NTSC／PAL编码器、模／数转换器、SRAN；

（3） 无需软件或微控制器即要实现即插即用；

（4） 支持上至1024×768（75Hz）VGA显示模式；

（5） 自动识别和转换50－100Hz范围内的场频；

（6） 只需4个按钳就可成画面冻结、缩放、移动、亮度对比度控制等功能，还有产生标准的彩条信号；

（7） 提供I2C接口电路，使用户可对芯片进行编程控制；

（8） +5V单电源供电，并可由软件控制其开关。

2 转换器的构成

图2给出了使用AL128设计的转换器的应用系统图。转换器由两部分构成，第一部分是电平转换电路，用于将分光光度仪输出的行、场同步信号以及R、G、B信号（TTL电平）转换成符合VGA电平标准的视频信号；第二部分是以AL128为核心和VGA－TV转换电路，用以输出符合广播采用BT848单片视频采集芯片。

2.1 电平转换电路

分光光度仪视频输出的接口电路由两片ALS240反向器构成，像素点输出的时钟频率为27.648MHz，输出电平为标准TTL电平。而标准VGA的R、G、B输出电平的峰－峰值为0.7V，这就要求对输入信号进行电平变换。为了便于说明，现将几种标准VGA模式与标准电视制式和分光光度仪视频输出模式的特点进行比较，如表1所示。

从表中可以看出，仪器的视频模式与VGA显示模式的输出电平有些不同，但它们的行、场步度相近，而且场频都落在AL128能自动支持的范围内（50－100MHz）,而行频都落在锁相芯片AV9137捕捉带范围仙（25KHz－1MHz）。采用数字视频技术的AL128，可以准确地提取输入信号的行、场频率，并控制外部场存储器的读写时序，以准确输出信号的行、场频率符合NTST／PAL制的行、场频率标准，并完成以扫描方式的转换。电平转换需要由外加电路实现，具体的R、G、B电平转换电路如图3所示。图中74LS08主要起隔离作用，防止外加电路故障对对分光光度仪造成破坏。

2.2 视频转换电路

视频转换电路主要硬件结构如图4所示，该电路是将经电平转换电路转换后的非标准VGA视频格式进行自动转换处理，从而得到标准电视信号。其视频输出方式可以有三种，分别为复合视频输出、S端子输出、RGB输出。这种输出是复用AL128的三个引脚，可选择复合视频输出端或S端子输出接到视频采集卡上。

图4中AV9137是ICS公司生产的视频锁相环芯片，其输入的两信信号是：作为参考的分光度仪的行同步信与和由AL128产生的GHSDIV信与（由像素点时钟GCLK经AL128内部分频器分频得到）。这两路信与经过芯片内部的相比较器、环路滤波器，进而控制芯片内部的压控振荡器，就可产生AL128场存储器写信号所需的视频像素点时钟GCLK。只要保证输入的行频落在25kHz－1MHz范围内，就可以利用该锁相环芯片产生10MHz－75MHz视频像素点时钟。AV9137的详细输入频率和输出频率的关系可参考其数据手册。

AL128外挂的两片FIFO场存储器采用Averlogic公司提供的AL128视频存储器。一共可在存储两场的数据，这两片外挂存储器的写选通分别为AL128的MWENL和MWENH来控制，并且需将AL128的MENCONFI置，MEMCONFO置1。每片外挂存储器都含有38K×8bit的DRAM，该芯片内部采用两套各自独立的读／写时钟，读／写周期仅为20ns，在50MHz视频像素0点时钟下足以支持 819×480byte的图像数据的存储。A128存储器芯片的数据写时钟／WCK、写复位／WRST、写允许／WE控制视频像素点的写入，一帧图像存完后内部写地址指针复位，又开始顺序写入数据。数据的读出也是一样，只是读时钟的步率是个固定值（NTST:;14.318MHz;PAL:17.734MHz），而且具体读出的数据是AL128通过MREN来控制存储器的／RE引脚。存储器与AL128的接图如图5所示，其详细的读／写时序可参阅AL422的数据手册。

3 分析与讨论

将转换器输出的复合视频信呈直接接入视频监视器的VIDEO端口，用以观察转换器的视频转换效果。我们发现转换器输出的图像很稳定，只是显示区域发生一点变化。介这并不要紧，因为我们所采集的显示曲线均在显示区域内。造成显示区域发生变化的原因是由于我们使用的是AL128内部硬件缺省值，而这些缺省值是根据标准VGA显示模式制定的。它的行消隐脉冲的宽度、场消隐脉冲的宽度、前肩和后肩宽度以及同步脉冲的宽度均与分光光度仪输出的显示信号有差别，这就必然造成AL128截取的像素位置与分光光度仪实际显示的像素位置无法完全一致。如果将该转换器用作普通非标准VGA－TV转换器使用，为了达到比较好的视频转换效果，要采用外接微控制器（如下8051）对A128的寄存器进行控制。根据实际情况调整寄存器设置，特别是改变视频像素点时钟（Reg#28）、每行截取像素数（Reg#23）、每行截取的起始位置（Reg#23）、每行显示的起始位置（Reg#52）、每行显示比例（Reg#27）、每场截取的行数（Reg#24）、每场截取的起始位置（Reg#22）、每场可显示的行数（Reg#25）这8个起决定作用的参数，就可达到广播量级的电视视频信呈的输出标准。