基于FPGA的DVI視頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘 "要： 為了研究滿足工業(yè)視頻顯示應(yīng)用中需要的便攜式非標(biāo)準(zhǔn)時(shí)序DVI視頻信號(hào)。使用STM32生成需要顯示的DVI視頻數(shù)據(jù)，通過(guò)FSMC接口送入FPGA外掛的SDRAM中，F(xiàn)PGA內(nèi)部視頻信號(hào)產(chǎn)生邏輯讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)，按照DVI視頻的時(shí)序產(chǎn)生滿足要求的RGB并行視頻數(shù)，送入DVI視頻信號(hào)編碼芯片產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的TMDS串行DVI視頻流。完成了基于FPGA的非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì)，產(chǎn)生可以用作工業(yè)視頻信號(hào)源的DVI視頻信號(hào)。以較小的板卡體積和設(shè)備功耗，為便攜式非標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)DVI視頻應(yīng)用提供了一種新的解決方案。

關(guān)鍵詞： FPGA; DVI; 微控制器 視頻顯示

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP23 " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）02?0069?04

Design of DVI video signal generator based on FPGA

DI Xing， ZHANG Jie

（Chinese Flight Test Establishment， Xi’an 710089， China）

Abstract：In order to research portable non?standard time?sequence DVI video signal applied to industrial video display， STM32 is used to generate DVI video data， （which will be sent to SDRAM plugged in FPGA through the FSMC interface， and then read by the logic generated by the internal video signal in FPGA）， the parallel RGB video is generated according to the DVI video signal time?sequence， which will be sent to DVI video encoding chip to generate standard TMDS serial DVI video flow. The hardware circuit of non?standard video signal generator based on FPGA was designed. DVI video signal was generated which can be used as industrial video source. With a smaller board size and power consumption， a new solution was provided to meet the industrial application of portable non?standard DVI video.

Keywords： FPGA; DVI; micro controller; video display

隨著視頻傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展，視頻格式已經(jīng)從以前的復(fù)合模擬視頻發(fā)展到VGA視頻，再到當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的DVI數(shù)字視頻[1]，DVI數(shù)字視頻以其高的圖像質(zhì)量成為了當(dāng)前視頻顯示技術(shù)的主流，在某些工業(yè)控制場(chǎng)合中，需要使用DVI接口顯示某些數(shù)據(jù)內(nèi)容，但是所采用的時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)不是主流的時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)，例如刷新率不是常用的60 Hz，而是72 Hz或者其他數(shù)值，采用具有DVI接口的處理器就無(wú)法滿足顯示需求，本文使用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為主控器件，實(shí)現(xiàn)非常用時(shí)序的DVI視頻信號(hào)的產(chǎn)生。

1 "總體設(shè)計(jì)

基于FPGA的DVI視頻信號(hào)發(fā)生器的工作模式類似于計(jì)算機(jī)顯卡的工作方式，處理器負(fù)責(zé)產(chǎn)生需要顯示的信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)接收送入顯卡中（計(jì)算機(jī)采用PCI?E接口，本設(shè)計(jì)中采用8080接口），顯卡接收到數(shù)據(jù)后將顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于顯存中，由DVI信號(hào)編碼邏輯讀取顯存中的數(shù)據(jù)完成視頻信號(hào)的顯示刷新。

本設(shè)計(jì)使用FPGA產(chǎn)生DVI信號(hào)時(shí)序邏輯[2]，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的RGB并行數(shù)據(jù)和行場(chǎng)同步信號(hào)送入DVI編碼芯片，DVI編碼芯片將視頻信號(hào)編碼為TMDS視頻信號(hào)流， DVI視頻需要顯示的數(shù)據(jù)由CPU通過(guò)8080接口送入FPGA，F(xiàn)PGA將需要顯示的數(shù)據(jù)接收后放入顯存中，需要顯示時(shí)從顯存中讀出數(shù)據(jù)顯示，由FPGA內(nèi)部邏輯完成顯示數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和刷新工作。

2 "DVI視頻接口

數(shù)字視頻接口（DVI）是基于Silicon Image公司的專利技術(shù)，使用TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）技術(shù)來(lái)傳輸數(shù)字信號(hào)，TMDS運(yùn)用先進(jìn)的編碼算法把8 b數(shù)據(jù)（R、G、B中的每路基色信號(hào)）通過(guò)最小轉(zhuǎn)換編碼為10 b數(shù)據(jù)（包含行場(chǎng)同步信息、時(shí)鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯(cuò)等），經(jīng)過(guò)DC平衡后，采用差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，它和LVDS、TTL相比有較好的電磁兼容性能，可以用低成本的專用電纜實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高質(zhì)量的數(shù)字信號(hào)傳輸。

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圖1 DVI視頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖

TMDS通過(guò)異或及異或非等邏輯算法將原始信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10位，前8位數(shù)據(jù)由原始信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后獲得，第9位指示運(yùn)算的方式，第10位用來(lái)對(duì)應(yīng)直流平衡（DC?balanced）即指在編碼過(guò)程中保證信道中直流偏移為零，電平轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)不同邏輯接口間的匹配，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以差分傳動(dòng)方式傳送。這種算法使得被傳輸信號(hào)過(guò)渡過(guò)程的上沖和下沖減小，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)趨于直流平衡，使信號(hào)對(duì)傳輸線的電磁干擾減少，提高信號(hào)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃浴Ｔ贒VI標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)接口的無(wú)力方式、電氣指標(biāo)、時(shí)鐘方式、編碼方式、傳輸方式、數(shù)據(jù)方式等進(jìn)行了嚴(yán)格的定義和規(guī)范。在DVI標(biāo)準(zhǔn)中還增加了一個(gè)熱插拔探測(cè)信號(hào)，從而真正實(shí)現(xiàn)了即插即用。

3 "視頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

基于FPGA的DVI視頻信號(hào)發(fā)生器采用ALTERA公司的FPGA芯片EP2C5T144C8N作為顯示邏輯產(chǎn)生的主要器件，顯存采用HYNIX公司的SDRAM芯片 HY57V641620，CPU采用意法半導(dǎo)體的STM32作為顯示內(nèi)容發(fā)生單元，DVI編碼接口芯片采用Silicon Image公司的SiI9134芯片完成DVI信號(hào)的編碼。

3.1 "EP2C5T144C8N系列FPGA

EP2C5T144C8N屬于ALTERA公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA，它具有4608個(gè)宏單元，119 808 b SRAM，內(nèi)含2個(gè)PLL，核心電壓1.15～1.25 V，最高工作頻率可達(dá)320 MHz，輸入/輸出接口支持LVTTL， LVCMOS， SSTL?2， SSTL?18， HSTL?18， HSTL?15多種電平標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 "SDRAM

在信息處理中，特別是在實(shí)時(shí)視頻圖像處理中，通常都要對(duì)實(shí)現(xiàn)視頻圖像進(jìn)行處理，而這首先必須設(shè)計(jì)大容量的存儲(chǔ)器，同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM以其價(jià)格低廉、容量大等優(yōu)點(diǎn)，成為設(shè)計(jì)中最常用的顯存芯片。

同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）同步是指 Memory工作需要同步時(shí)鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準(zhǔn);動(dòng)態(tài)是指存儲(chǔ)陣列需要不斷的刷新來(lái)保證數(shù)據(jù)不丟失;隨機(jī)是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲(chǔ)，而是自由指定地址進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。本設(shè)計(jì)中使用的SDRAM為HY57V641620HG，它采用67、108、864位CMOS工藝制造的SDRAM動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，隨主存儲(chǔ)器同步輸入和輸出工作。容量由1M×16位的存儲(chǔ)器組成，具有16位數(shù)據(jù)總線，每個(gè)存儲(chǔ)體由16位、256個(gè)字符、4 096頁(yè)組成。采用3.3 V電源供電，所有引腳設(shè)計(jì)兼容LVTTL，所有輸入和輸出以時(shí)鐘為參考，內(nèi)部數(shù)據(jù)功能在UDQM或LDQM里進(jìn)行處理，內(nèi)含4個(gè)地址解碼模塊，具有自動(dòng)恢復(fù)和自身恢復(fù)功能，每64 ms可產(chǎn)生4 096個(gè)刷新周期，同時(shí)具有可編程控制功能。

3.3 "STM32F103VCT6系列ARM微控制器

STM32F103VCT6使用高性能的ARM Cortex?M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)256 KB的閃存和48 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。供電電壓2.0 ～3.6 V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

3.4 "DVI編碼芯片SiI9134

SiI9134是Silicon Image公司的DVI接口芯片，它將標(biāo)準(zhǔn)的RGB并行數(shù)字信號(hào)在行場(chǎng)同步信號(hào)、像素時(shí)鐘信號(hào)和DE使能信號(hào)的配合下，編碼成符合DVI1.0標(biāo)準(zhǔn)的TMDS數(shù)字信號(hào)輸出，內(nèi)核采用1.8 V供電，最高可支持36位顏色深度的1 080P@60 Hz視頻，內(nèi)部集成了YUV轉(zhuǎn)RGB轉(zhuǎn)換器，可編程的數(shù)據(jù)使能（DE）生成器，可以滿足大多數(shù)的DVI視頻編碼需求。

4 "系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 "電源部分硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)電路系統(tǒng)需要的電源電壓有5 V，3.3 V，1.8 V，1.2 V規(guī)格的電壓，所以電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用AC?DC產(chǎn)生5 V電壓，再使用LDO將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V、1.8 V、1.2 V需要的電壓。主電源使用金升陽(yáng)LH05?13B05 AC?DC電源，它可將220 V交流電源直接轉(zhuǎn)換成直流5 V輸出，具有寬輸入電壓：85～305 VAC/120～430 VDC，軍工級(jí)低溫工作范圍：-40～70 ℃，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)87%，滿足IEC60950、EN60950、UL60950安規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具有輸出短路、過(guò)壓、過(guò)流等保護(hù)功能。3.3 V的LDO芯片選用美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM1085?3.3，將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V它具有最大3 A的輸出電流，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。1.8 V和1.2 V的LDO芯片選用TI公司的TLV1117芯片，完成電壓轉(zhuǎn)換。電源電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

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圖2 視頻信號(hào)發(fā)生器電源電路

4.2 "DVI視頻接口部分硬件設(shè)計(jì)

由于SiI9134最大支持36位顏色深度，本設(shè)計(jì)使用的是24位顏色深度，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中將RGB三種顏色的低4位數(shù)據(jù)位接地，使用高8位數(shù)據(jù)位。SiI9134支持HDMI1.3標(biāo)準(zhǔn)，有音頻編碼功能，本設(shè)計(jì)中不涉及音頻部分，音頻信號(hào)管腳采用懸空處理，SiI9134功能可以通過(guò)芯片的I2C接口進(jìn)行配置，在此采用STM32F103VCT6完成通過(guò)I2C接口對(duì)SiI9134的初始化，使其工作在DVI1.0模式下。SiI9134電路接口圖見(jiàn)圖3。

4.3 "SDRAM接口部分硬件設(shè)計(jì)[3?4]

由于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元存在漏電現(xiàn)象，為了保持每個(gè)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的正確性，HY57V641620HG必須保證在64 ms內(nèi)對(duì)所有的存儲(chǔ)單元刷新一遍。一個(gè)自動(dòng)刷新周期只能刷新存儲(chǔ)單元的一個(gè)行，每次刷新操作后內(nèi)部刷新地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)加“1”。只有在所有體都空閑（因?yàn)?個(gè)體的對(duì)應(yīng)行同時(shí)刷新）并且未處于低功耗模式時(shí)才能啟動(dòng)自動(dòng)刷新操作，刷新操作執(zhí)行期間只能輸入空操作，刷新操作執(zhí)行完畢后所有體都進(jìn)入空閑狀態(tài)。該器件可以每間隔7.8 μs 執(zhí)行一次自動(dòng)刷新命令，也可以在64 ms內(nèi)的某個(gè)時(shí)間段對(duì)所有單元集中刷新一遍，本設(shè)計(jì)采用的就是SDRAM的自動(dòng)刷新模式，下圖為HY57V641620HG與FPGA的接口電路設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖4。

4.4 "顯示數(shù)據(jù)產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

DVI接口需要顯示的數(shù)據(jù)由STM32F103VCT6產(chǎn)生后通過(guò)FSMC接口送進(jìn)FPGA，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器（Flexible Static Memory Controller，F(xiàn)SMC）是STM32系列中內(nèi)部集成的高存儲(chǔ)密度微控制器特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類型以匹配信號(hào)的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器。在本設(shè)計(jì)中把FSMC接口配置成16位的8080接口模式與FPGA通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，接口電路如圖5所示。

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圖4 HY57V641620HG與FPGA接口電路

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圖5 STM32數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)發(fā)生接口電路

5 "系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 "FPGA邏輯軟件設(shè)計(jì)

顯示邏輯需要與STM32通信完成顯示數(shù)據(jù)的讀取，并將其送入SDRAM中緩存，完成緩存數(shù)據(jù)更新后，即可從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)通過(guò)DVI視頻信號(hào)編碼邏輯生成需要的RGB并行數(shù)據(jù)信號(hào)，送入DVI編碼芯片，編碼為串行TMDS視頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)讀寫顯示邏輯的原理框如圖6所示。

5.2 "顯示數(shù)據(jù)發(fā)生軟件設(shè)計(jì)[5]

FPGA顯示邏輯類似于計(jì)算機(jī)顯卡的功能，本身不產(chǎn)生顯示內(nèi)容，需要顯示的內(nèi)容由CPU產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)使用STM32來(lái)產(chǎn)生顯示數(shù)據(jù)， STM32上電完成內(nèi)部硬件初始化后，STM32從存儲(chǔ)于自身FLASH的字庫(kù)中讀取需要顯示的字庫(kù)信息，通過(guò)FSMC接口送入顯存SDRAM中，完成一幀圖像的輸入后，由啟動(dòng)FPGA顯示邏輯，完成DVI數(shù)據(jù)輸出的顯示刷新，顯示程序的流程圖如圖7所示。

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圖6 數(shù)據(jù)讀寫顯示邏輯框圖

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圖7 數(shù)據(jù)顯示程序流程圖

6 "實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

為了驗(yàn)證DVI視頻信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際效果，使用視頻信號(hào)采集器對(duì)信號(hào)發(fā)生器實(shí)際的輸出信號(hào)進(jìn)行采集記錄，并使用IRIG?B碼為采集器授時(shí)，采集器完成圖像采集記錄并圖像疊加時(shí)間信息，測(cè)試視頻的截圖見(jiàn)圖8。

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圖8 視頻信號(hào)采集器采集的圖像

7 "結(jié) "語(yǔ)

基于FPGA的DVI視頻信號(hào)發(fā)生器，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，創(chuàng)新性地使用STM32外部特有的FSMC接口，完成了處理器和FPGA的數(shù)據(jù)交換，以較低的功耗和較小的板卡體積實(shí)現(xiàn)了多種時(shí)序DVI視頻信號(hào)的產(chǎn)生，為便攜式工業(yè)DVI視頻應(yīng)用提供了一種新的解決方案。

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