視頻窗口控制器設計

摘 要： 在描述了多媒體窗口控制器的基礎上，介紹了用FPGA實現的電子內窺鏡中窗口控制器的設計原理及電路。該方法可靈活改變設置，廣泛用于多媒體硬件電路的設計之中。

關鍵詞： 數字視頻 多媒體 現場可編程門陣列（FPGA） 窗口控制器 電力內窺鏡控制

在多媒體技術中，數字視頻處理器的核心部件是視頻窗口控制器。由它來實現數字視頻信號的采集、存儲及顯示模式的管理，并且可與計算機接口相聯接，可以由計算機靈活設置其采集方式、存儲方式、顯示模式等實現視頻信號的顯示，與計算機文本及圖形的疊加等。

本文設計的窗口控制器是在深入剖析了當前較高性能的窗口控制器性能的基礎上，采用FPGA硬件來實現電子內窺鏡中的窗口控制器設計原理及電路。采用該項技術，可以大大克服原來硬件規模大、調試復雜的缺點，而獲得了實現周期短、更改設計靈活、調試方便、可靠性高的特點。該項技術也可以移植到其它多媒體領域。為了更清楚說明其工作原理，本文首先介紹硬件實現視頻窗口控制器的工作原理，其次介紹電子內窺鏡中的窗口控制器原理及電路。

１ 窗口控制器原理

在現代多媒體設計中，計算機圖像及文本信號都是以數字信號的方式傳送及處理的，因此數字視頻信號處理電路占有十分重要的位置。當前較流行的多媒體卡中的視頻處理的典型產品是82C9001A (PC視窗控制器)其工作原理簡要介紹如下。

采用視頻窗口控制器的PC視頻系統由視頻數字量化、視頻存儲器、視頻D/A轉換、模擬混合電路及PC視頻窗口控制器構成。系統框圖如圖１所示。從框圖中可以清楚看出，窗口控制器是PC視頻系統的核心部分。它是由82C9001A大規模集成電路單片實現的。該系統工作時，是以計算機系統總線接口向窗口控制器中設置其工作方式，如開機不重新設置，則以以前設置狀態運行。視頻源信號是NTSC，PAL及SECAM等多種形式中的一種，彩色電視信號輸入，經視頻量化器量化后進入窗口控制器，窗口控制器將數字視頻信號以4:1:1和4:2:2及16bits RGB數字模式存儲，也可以2:1:1 YUV模式存儲。輸入信號可以是隔行或是逐行的視頻信號，輸出信號也可以是隔行或是逐行的模式。輸出信號可以2、4和8倍放大。

計算機顯示卡上的VGA的特征接頭和窗口控制器相連，提供VGA的特征信號（包括垂直同步、水平同步的時鐘及數據等）。計算機顯示接頭和模擬混合器連接，實現視頻信號與計算機信號的疊加。窗口控制器的工作是由窗口控制器內的50個控制寄存器的內容，提供這些寄存器的主要三大類任務：計算機接口控制，視頻捕獲控制，顯示窗控制等。

窗口控制器捕獲的數字信號經存儲器存儲后讀出，該組存儲器采用VRAM（雙端口視頻存儲器）可以同時在兩個口上分別做讀寫操作，互不影響。存儲器讀出的信號經D/A電路轉換后輸入給模擬混合電路和計算機VGA信號疊加。

２ 電子內窺鏡控制系統

我們在認真研究了PC視頻系統的原理和功能后，采用FPGA實現了電子內窺鏡的控制系統，其基本性能與PC視頻系統有相似之處，現介紹如下。

2.1 電子內窺鏡控制系統原理

電子內窺鏡控制系統如圖２所示。

該系統由面陣CCD光電傳感器、A/D轉換、FIFO（先進先出緩存）、VRAM（視頻雙端口存儲器）存儲器組、視頻D/A轉換、彩色編碼、時鐘及窗口控制器組成。

該系統工作原理如下：CCD輸出信號經A/D量化為數字信號后，經FIFO（先入先出緩存）緩存，輸入到窗口控制器中，窗口控制器根據輸入的信號經過處理后，依次存儲到VRAM組成的R、G、B三頁存儲器中。存儲器中的視頻信號同時輸出經三路D/A轉換后，經編碼器實現PAL制彩色視頻信號。

系統時鐘部分提供給系統形成PAL制信號所需的點象素時鐘、所有同步信號（包括垂直同步、水平同步、提供給彩色編碼電路的色同步信號及消隱信號），以及提供給FPGA穩定可靠的全局時鐘。

窗口控制器主要實現以下功能：顯示窗口形狀控制、顯示窗口活動／凍結轉換，VRAM寫入、讀出、刷新控制信號發生，提供A/D轉換、D/A轉換時鐘，提供CCD正常工作的驅動時鐘及實現與計算機的通信等。窗口控制器所有的功能都是由FPGA實現的。

2.2 窗口控制器的FPGA實現

窗口控制器是由FPGA實現的，而且在FPGA內部是以模塊化設計的，其結構見圖３。

外部輸入給FPGA的主要有主時鐘、行同步信號、場同步信號、大小畫面切換、系統復位信號等。主時鐘和行、場同步信號由外部時鐘發生電路經鎖相產生的，大小畫面切換和系統復位信號是由外部開關給定。FPGA內部為主控信號發生、接口、VRAM信號切換、VRAM地址發生、FIFO信號切換及VRAM開機復位電路等幾個模塊構成，每個模塊完成自己的一部分功能。

主控信號發生產生所有的控制信號，包括CCD驅動、A/D及D/A時鐘、VRAM控制信號、FIFO控制信號及計算機接口信號。

由于VRAM開機后存儲單元的內容不定，因此在開機之后先給VRAM存儲器復位，即開機后VRAM全清零。

由于VRAM存儲器是由三組存儲器組成的，分別用于存儲紅、綠、藍三種分時得到的圖像分量，因此VRAM控制信號必須經過切換分時輸入不同的存儲器。

系統采用了大小兩個FIFO，因此FIFO控制信號也經過切換。

接口部分完成與計算機的輸入、輸出通信，接收計算機的請求信號，給出應答信號。

圖４是主控信號發生的FPGA模塊圖。

目前系統已能正常工作，圖５和圖６是從邏輯分析儀截取的最終調試結果。圖５是CCD驅動控制信號。在控制VRAM時，為了檢測VRAM控制是否正確，在FPGA內部做的彩條測試信號，圖６是彩條的波形輸出。

我們的窗口控制器是在分析當前較流行的多媒體卡中的視頻處理的典型產品82C9001A（PC視窗控制器其工作原理的基礎上，設計并用FPGA實現的。先進的FPGA技術的使用一方面大大縮短了調試的周期，提高了系統的可靠性；另一方面由于其包含大量的門電路使系統控制板集成度高，體積小。由于FPGA器件的使用，系統具有極強的靈活性、適應性和通用性，并可在不更改硬件電路的基礎上，在短時間內實現對現有功能的修改和擴充。