基于ARM處理器S3C2440A的便攜式視頻展示臺的設計

摘要：文中基于對微處理器S3C2440A的顯示控制模塊和高性能視頻D／A芯片ADV7120的研究，提出了一種便攜式視頻展示臺的設計方案。本方案采用130萬像素的OV9650攝像頭采集實物、文檔、圖片或者過程的圖像數據，利用S3C2440自帶的LCD控制器來產生符合VGA顯示要求的時序邏輯，ADV7120將數字RGB信號轉換成VGA顯示需要的模擬彩色信號。通過TFT—LCD掃描顯示的時序與VGA掃描顯示時序的匹配來驅動VGA顯示。測試結果表明，方案切實可行，達到正常顯示色彩信息的要求。
關鍵詞：便攜式視頻展示臺；嵌入式linux；LCD控制器；ADV7120；VGA時序

視頻展示臺是將實物、文稿、圖片和過程等信息轉換為圖像信號輸出在投影機、顯示器上展示出來的一種演示設備。便攜式視頻展示臺由于具有體積小，易于攜帶等優點，被廣泛用于教學、大型會議及產品展示等場合，具有較大的研究前景。本視頻展示臺的設計采用三星基于ARM9內核的S3C2440A芯片，運用模塊化的設計原則；具有體積小、便攜帶、低功耗、易維護性等特點，整個系統的設計由兩部分構成，分別是實物、圖片、文檔或者過程等圖像采集部分和VGA傳輸顯示部分。此視頻展示臺的顯示分辨率為800x600。

1 視頻展示臺系統結構設計
本便攜式視頻展示臺采用三星S3C2440A處理器，其CPU的工作頻率可達400 MHz，可以很好的處理圖像數據。它的外設包括：LCD控制器、CAMIF單元、UART接口、IICBUS接口、USB主從接口等。系統采用具有極快讀寫速度的2片32 MB的SDRAM來保證linux操作系統的流暢運行，采用具有掉電保護功能的128 MB的Nancmash來存放操作系統和驅動程序。此外，130萬像素的ov9650攝像頭用來采集視頻圖像數據，ADV 7120將數字RGB信號轉換成VGA顯示需要的模擬彩色信號，顯示分辨率為800x600。電源管理模塊能夠提供多種供電，包括芯片內核電壓采用1．8 V供電，芯片的IO口部分采用3．3 V供電。為了給實物、文檔、圖片或者演示過程提供照明光源，在ov9650攝像頭旁邊加了一圈led小燈。下圖1是方案的硬件電路設計框圖。

2 視頻圖像采集模塊
2．1 視頻采集硬件接口及其分析
視頻采集模塊是本便攜式視頻展示臺的一個重要組塊之一。本模塊采用攝像頭接口控制單元CAMIF和IIC總線來控制和傳輸OV9650攝像頭采集實物、圖片、文檔或者過程等視頻數據。選擇CMOS傳感器是因為它有功耗低、編程方便、成本低等優點。其主要引腳及功能描述如下：CAMCLKOUT是CPU輸出的采樣時鐘，幀同步信號VSYNC、行同步信號HREF、像素時鐘信號PCLK由OV9650內部產生，輸入到S3C2440A芯片中，用于對圖像采集進行控制。攝像頭在每個PCLK脈沖過程中依次采集一個字節的數據，直到一幀圖像數據采集完成。

攝像頭采集的數據經過處理后進入幀緩沖區，幀緩沖區由4個Ping Pong存貯器組成，因此圖像幀的讀寫操作可以同時進行。然后通過預覽DMA連到AHB總線上，通過AHB總線將數據送往內存。整個過程由linux操作系統來控制，如圖2所示。
2．2 視頻采集驅動設計
file_operations結構是Linux2．6內核提供的一個標準化的文件操作實現接口。定義ov9650_ops為file_operations結構。編寫用于上層軟件接口函數：
struct file_operations ov9650_ops=
{
open：ov9650_open，
release：ov9650_release，
read：ov9650_read，
write：ov9650_write，
iocfl：ov9650_ioctl，
}；
通過這些調用函數，應用程序就可實現對CMOS攝像頭的打開、關閉、視頻數據的讀取、內部寄存器的設置等進行操作。在啟動驅動程序時，系統首先調用已經定義的ov9650攝像頭驅動程序的入口函數init(ov9650_init)對攝像頭進行初始化，初始化的主要內容是復位、通過IIC配置相關攝像頭寄存器、攝像頭采樣時鐘配置以及中斷配置等，然后等待進一步命令。應用程序使用結束后，系統調用已經定義的ov9650出口函數exit(ov9650_exit)退出。

3 VGA顯示模塊
3．1 LCD控制器接口和VGA接口描述
本便攜式視頻展示臺的另一個重要組塊是VGA顯示模塊。S3C2440A帶有LCD控制器，可以很方便地控制驅動掃描式接口的TFT顯示。其主要功能引腳有：像素時鐘信號引腳VCLK／LCD，場同步信號引腳VFRAME／VSYNC，行同步信號引腳VLINE／HSYNC，VD[23：0]是LCD數據輸出端口。當把VSYNC、HSYNC、VCLOCK等信號參數設定好，并把幀內存(frame memory)的地址告訴LCD控制器后，LCD控制器即可通過DMA自動獲取幀內存中的圖像數據。
VGA接口使用模擬RGB通道，逐點、逐行掃描。VGA接口信號為模擬信號，其關鍵信號有5個，分別是行同步信號，場同步信號，紅色模擬信號，綠色模擬信號和籃色模擬信號。電子槍從左至右，從上而下的進行掃描，每行結束時，用行同步信號進行同步。掃描完所有的行后用場同步信號進行場同步。
通過比較LCD掃描式接口時序和VGA時序可知，LCD控制器驅動TFT顯示的行場同步信號時序和VGA行場同步信號時序很像。只是信號的極性VGA是負極性，LCD信號是正極性，這個通過調整Linux內核顯示模塊來調整LCD的時序以適應SVGA時序即可。因此，可以利用高性能視頻D／A轉換芯片ADV7120將S3C2440A自帶的LCD掃描式接口轉換為VGA接口，然后用帶有VGA接口的顯示器顯示。此外，LCD控制器用于控制數據信號的使能的引腳VDEN在D／A轉換模塊中可用來控制信號轉換的使能，LCD控制器的VCLK可用作D／A轉換模塊的時鐘信號。
3．2 高性能視頻D／A轉換芯片ADV7120
ADV7120的輸入及控制信號非常簡單：3組8位的數字視頻數據輸入端，用以連接LCD控制器的數據輸出接口VD[23：0]，數據輸入端采用標準TTL電平接口；4條視頻控制信號線包括復合同步信號SYNC、消隱信號BLANK、白電平參考信號REF WHITE和像素時鐘信號CLOCK，外接一個123V數模轉換參考電壓源和1個輸出滿度調節。
ADV7120的輸出信號只有4條：3條模擬RGB信號和同步參考電流輸出信號Isync。VGA接口的行場同步信號和LCD掃描式接口的行場同步信號是一致的，因此LCD控制器接口中的行場同步掃描信號HSYNC和VSYNC直接接到VGA接口。LCD控制器和VGA接口是由硬件實現的兩種接口的電器轉接，不需要寫任何驅動程序，這是在嵌入式系統平臺上擴張VGA接口最方便的方案，也是本便攜式視頻展示臺體積小，易攜帶性設計的基礎。