基于TVP5150的视频LCD显示设计

摘要：视频监控显示器在工业、生活及军事领域都有广泛应用。本文设计了一种可在TFT液晶屏上显示的视频监控显示器，以内嵌8051单片机的TFT液晶缩放引擎芯片为控制中心，以视频转换芯片TVP5150为硬件核心。电路将模拟视频信号编码为ITU-R BT．656类型的数据流。单片机管理整个工作流程，缩放引擎芯片进行图像处理，把数据流转换为低电压差分信号，最终在液晶屏上获得监控图像。该显示器结构轻薄，电路简单，性能可靠，图像显示清晰稳定。
关键词：TVP5150；ITU-R BT．656；图形缩放引擎；低电压差分信号

视频监控系统目前在军用车载侦察、日常生产、生活中应用十分广泛。随着数字化生活的进一步提高，当前视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化。现代常见的数字视频处理系统通常使用视频解码芯片将模拟视频信号直接转换成数字信号，应用较多的有philips的SAA711 1、SAA7114，TI的TVPS022、TVP5150等。TI公司的视频解码芯片TVP5150以其卓越的性能和高性价比广泛地得到应用，它能将模拟视频信号转换成为符合ITU-R BT．656标准的数字信号，使用数字化接口的LCD显示器能获得比传统CRT显示器更清晰、稳定的画面。
视频转换处理电路是LCD监视器里最重要的组成部分，主要由视频转换芯片和液晶控制芯片(SCALER)组成。

1 系统总体设计方案
1．1 原理
本系统主要由视频转换模块、8051内核单片机和液晶图形缩放引擎(SCALER)组成，系统框图如图1所示。NOVATEK单片机通过I2C接口控制其余两部分模块的工作，TVP5150把复合视频转换成标准8位的ITU-RBI.656格式的数字信号传输到SCALER，SCALER通过解码矩阵电路把解调后的信号转换成三基色RGB信号，最后通过增益／偏移控制、伽马校正、抖动处理和图形缩放变成LVDS信号输出到液晶屏，单片机通过串口连接主机可以检测TVP5150和SCALER的工作状态。

1．2 ITU-RIBT．656视频标准
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。ITU-R BT．656输出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的数据格式，同步信号内嵌于数据流中串行输出，也可以单独引脚与数据流并行输出。图2所示为完整的一帧数据，分奇偶两场，23～311行是偶数场数据，366～624行是奇数场数据，FID为奇偶场指示信号，在场同步信号(VSYNC)下降沿跳变。VBLK为场消隐信号，高电平有效，可以通过设置TVP5150寄存器来改变其长短，控制有效图像数据输出，因此在VBLK信号低电平期间对应输出视频有效数据。

每一行的数据结构如图3所示。每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV(有效视频结束)信号，紧接着280个固定填充数据，最后4个字节是SAV(有效视频起始)信号。SAV信号和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置以及如何区分SAV、EAV信号。

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2 TVP5150视频转换模块
2．1 视频解码芯片TVP5150
TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能视频解码器，在正常工作时，它的功耗仅115 mW，并且具有超小封装(32脚的TQFP)，因此非常适用于便携、批量大、高质量和高性能的视频产品。它可以接收2路复合视频信号(CVBS)或1路S-Video信号。通过单片机I2C总线设置内部寄存器，选择信号AIPLA和AIPIB输入到内部，AGC(自动增益控制)使得芯片可以支持最高1．5 Vp-p的信号电压并使输入信号达到ADC的最大量程，9位的ADC按内部PLL时钟输出像素数据。转换后的数字信号经过梳状滤波器进行Y、C分离，再进一步分离成U、V信号，最终经过格式转换输出8位ITU-R BT656信号。
2．2 TVP5150视频转换模块电路
TVP5150视频转换模块电路图如图4所示。

TVP5150仅使用1个14．318 18 MHz的晶体就支持多种视频制式，并提供1个I2C接口来为视频特性进行编程，包括色调、对比度、饱和度和亮度。数字和模拟核心输入电压为1．8 V，IO口电压为3．3 V，每一个电源输入引脚都要有1个0．1μF的去耦电容。
根据芯片要求，两路输入信号CH1和CH2通过1个0．1～1 μF电容输入到芯片输入引脚，输入要进行阻抗匹配设计，防止对输入信号的反射，电阻R1、R3(R2、R4)的关系是R1=75-R3，这样可以根据实际输入电压进行分压，保证输入到引脚的电压在0．75 V以下；YOUT[0：7]输出8位YUV4：2：2信号或者内嵌同步的8位ITU-R BT656信号中。PCIX／SCLK脚时钟信号可输出13．5 MHz和27MHz两种频率。
2. 3 TVP5150寄存器配置
完成TVP5150的初始化，要通过I2C总线把参数写入寄存器，主要有：选择视频输入通道，当输入为Composite信号时，可以选择通道A或者通道B，当输入为S-Video信号时，通道A输入Luminance信号，通道B输入Chrominance信号。输出格式配置，在本系统中配置为8位ITU-RBT. 656格式的数据输出。可以按照TVP5150规格书的寄存器初始化表配置。

3 SCALER视频处理电路
3．1 NOVATEK圈形缩放引擎芯片
输出的8位YUV4：2：2数字信号送到台湾联咏公司的SCALER芯片，NOVATEK是一款QFP-128Pin封装的高集成度高性能的SCALER芯片，工作电压3．3 V，内部核心电压1．8 V，通过单片机I2C总线设置内部寄存器，可以接收双路模拟RGB、逐行或隔行YUV的ITU-R BT．656、DVI等格式输入视频信号，直接输出LVDS信号，可驱动当前大多数TFT液晶屏。
3．2 SCALER处理电路
SCALER处理电路如图5所示，整个电路采用3．3 V供电，核心PLL电路电源是1．8 V。TVP5150和SCALER的接口简单：SCALER芯片接收TVP-5150转换出的8路YUV信号YOUT[7..0]信号和采样时钟信号SCLK，单片机对SCALER和TVP5150通过I2C接口进行寄存器配置，SCALER通过解码矩阵电路把解调后的Y，B-Y，R-Y信号转换成三基色RGB信号，最后经过逐行处理，增益／偏置控制、伽马校正变成LVDS信号，即图中信号TOM ／P、1、2、CLK输出到液晶屏。

3．3 SCALER寄存器配置
要完成基本的显示功能，SCALER要通过单片机的I2C指令写入寄存器以完成以下功能：
1)液晶屏参数选择：根据要点亮的液晶屏规格数，写入合适的液晶屏参数，包括分辨率、行场频、像素时钟、行场同步宽度、行场前后沿宽度等，这些在程序中更改宏定义即可；
2)选择输入信号格式及输入信号通道是YUV0还是YUV1，并打开数字端口控制，由此配置相应寄存器；
3)设置显示区域行场起始、结束位置，设置ADC的增益和偏置以及根据输入同步设置ADC_PLL控制；
4)设置YUV to RGB色彩转换空间转换系数。

4 单片机控制电路
单片机控制电路如图6所示。单片机工作在12 MHz频率下，REFCLKI给SCALER提供参考时钟；SCL和SDA是和TVP5150、NOVATEK和24LC16进行I2C通讯的时钟和数据，I2C总线是开漏极电路，必须加上拉电阻，SDA和SCL还用于单片机的在线编程；RX、TX是和PC通讯的RS232接口；BL-PWM、BL-ON是控制液晶屏逆变器的PWM亮度调节端和开关端；RFCLKI给SCALER提供参考时钟；AUTO、POWER、RIGHT、LEFT等是OSD菜单的控制键。

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单片机的工作流程如图7所示。

5 电源设计
如果说单片机是整个系统的大脑，而电源就是心脏，好的电源是一个良好系统的最基本要求，本设计选用TI的开关电源TPS5430作为整个系统的主电源，提供稳压5 V，LM1084-33 V提供给SCALER和TVP5150主工作电源，LM1117-1．8 V给SCALER和TVP5150的模拟和数字核心提供精准的1．8 V电源。

6 板卡设计难点
本设计方案中，SCALER内部采样频率最高可达201 MHz，LVDS输出频率最高可达85 MHz，这对信号完整性及电磁兼容性都是极大的挑战。在视频处理板卡的PCB设计中突出体现以下难点：
1)时序问题，工作频率的提高和信号上升／下降时间的缩短，首先会使设计系统的时序余量缩小甚至出现时序方面的问题；
2)传输线效应导致的信号振荡、过冲和下冲都会对设计系统的故障容限、噪声容限及单调性造成很大的威胁；
3)信号沿的时间下降到1 ns后，信号之间的串扰成为很重要的问题；
4)当信号沿的时间接近0．5 ns时，电源系统的稳定性和电磁干扰(EMI)也十分关键。
视频处理板卡PCB的设计策略如下所述：
1)数字电路设计
为了获得更高性能的产品，电路板设计按4层板考虑，在元器件布局及布线过程中严格遵守高速电路设计原则，为确保系统功能的实现及整机性能指标达到检测标准，在PCB布线时需要特别注意串接电阻降低高速电信号反射的影响及保证同一组数据同步到达。由于信号在顶层、底层与中间层的传输阻抗和传输速率不一样，因此应尽量将接到同一器件的信号线分布在同一层上，并使导线长度相等。
2)电源设计
电源是系统正常工作的基础，在设计中，应使用足够多的电源层和地层，对AVDD、DVDD、AGND、DGND分层设计，并将模拟地与数字地单点接地，这样可以避免模拟电路与数字电路相互影响，SCALER数字部分和模拟部分通过磁珠分开供电以消除干扰。

7 结束语
在引进和消化SCALER缩放引擎技术的基础之上设计了这款基于TVP5150的视频处理板卡。本板卡电路简单、结构紧凑、功能完善、性能可靠、系统升级方便，在分辨率为800x600的液晶屏上显示清晰，在程序中通过更改液晶屏时序参数可以驱动分辨率最高达1 600x1 200液晶屏，如果在输入加上多路切换芯片还可以方便地升级为多路视频监控显示器，但是由于采用最简单的ITU-R BT．656编码，模拟转数字损失一些细节，所以电视线还没有CRT显示器细致，这是下一步研究的重点。