一种多功能视频信号源设计

宫海波,徐 茜,朱鸿翔

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

一种多功能视频信号源设计

宫海波,徐 茜,朱鸿翔

(中国飞行试验研究院，西安 710089)

针对目前视频信号源功能单一的现状，提出了一种便携式多功能视频信号源系统设计方案;详细阐述了信号源系统的硬件及软件设计，方案基于便携式、多功能、可靠性三方面的考虑，设备采用AMD的APU芯片平台，减少了FPGA资源消耗，简化了硬件电路设计，配套软件采取模块化设计;视频信号源可提供多种制式的测试图像，同时可根据特定要求产生特殊制式或信号，实验结果表明，该多功能信号源系统稳定性好、可靠性高、使用便捷，满足设计需求。

飞行试验；多功能；视频信号源；FPGA

0 引言

随着科学技术的不断发展，我国航空事业也进入了飞速发展的阶段，飞行试验过程中对视频信号采集、记录的测试已经非常广泛[1]。随着视频传输技术的不断发展，视频信号采集系统的研究变得更加重要，在视频测试系统搭建过程中，需要满足测试系统输入要求的视频信号，针对复杂的视频设备及各项指标，就需要有不同种类及制式的视频信号[2-4]。目前国内常见的视频信号源多是功能单一的设备，无法完成多类型、多通道视频信号的动态转换，无法满足目前测试需求。

本文在满足测试需求的基础上，提出了一种便携式多功能视频信号源设计，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS输出能力，在操作系统和相应图形驱动程序下可以定制各种分辨率及刷新率的输出，支持OpenGL图形库，从而可实现多类型、多通道视频信号的动态转换多功能信号源。

1 系统组成及工作原理

多功能视频信号源由机箱、控制面板以及功能模块构成，前端操作由控制面板实现，控制面板通过开关量控制电源管理模块开启和关闭信号源电源，通过软件界面和功能按钮控制视频信号源产生某种分辩率的视频输出，通过串口控制模拟视频变换缓冲模块，将视频信号变换为产生某种格式的模拟视频输出，通过串口控制数字视频变换缓冲模块，将视频信号变换为产生某种数字视频接口模式，并调整设定的某种帧场刷新速率，进而完成所需视频输出。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理图

为了实现尽可能多的分辨率和刷新率以及输出格式要求，设备采用基于X86架构的显卡作为视频源，采用AMD的APU芯片平台，减少了FPGA资源消耗，简化了硬件电路设计，从而带来较低的功耗和发热量，该架构也减弱了软件算法的工作量[5]。与传统的x86中央处理器相比，AMD APU的“异构系统架构”，即单芯片上两个不同的架构进行协同运作，使它变得更易于编程、更易于进行性能优化、负载资源更易于平衡、更高的性能以及更低的能耗。

APU的GPU图形核心部分基于DX11独立显卡，支持Direct 3D和OpenGL，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS输出能力，在操作系统和相应图形驱动程序及ADL(AMD Display Library,AMD图形显示支持库)支持下可以定制各种分辨率及刷新率的输出。

2 硬件设计

设备所依托的硬件环境采用AMD低功耗主板，功能板设计为3U 结构的板卡，通过母板把各个功能板连接在一起。设备采用AMD工控主板、相应的3U功能板卡及其驱动软件、配置管理软件、视频信号产生软件、视频格式控制软件、视频输出接口等组成。

其中，AMD工控主板由APU、南桥、SIO、固态硬盘等组成，外部设备包括触摸屏及显示器、面板控键、USB、RS232、RJ45、DVI显示输出、音频输出等。

3U功能板包括视频格式变换板、电源及充放电管理板、视频输出接口板，进而实现视频的格式变换、电源供电及电池充放电管理、为视频输出提供标准的对外硬件接口。

AMD工控主板运行Windows操作系统，运行配置管理软件进而实现对各个信号输出板的配置管理，AMD工控主板通过VGA与LCD显示器连接，通过USB与触摸板及面板按键连接，实现人机交互。RJ45网口主要用于软件的调试与升级以及参数的配置。在视频产生软件的控制下产生原始视频信号通过DVI接口输出给视频格式变换板，并通过RS232接口与视频格式变换板通信，控制视频格式变换板把DVI信号转换成希望的视频格式输出。

2.1 视频信号发生模块设计

视频信号发生模块采用AMD公司的融合式处理器APU(CPU+GPU)，在一张芯片上同时集成了低功耗的CPU和先进的GPU，具有VGA、DVI、HDMI和LVDS输出能力[6]，在操作系统和相应图形驱动程序下可以定制各种分辨率及刷新率的输出，支持OpenGL图形库,负责视频原始信号的产生，为应用软件提供运行所需的硬件平台。视频信号发生模块原理框图如图2所示。

图2 视频信号发生模块原理图

视频信号发生模块(APU主板)是视频信号源的核心，主要由APU、南桥、SIO、固态硬盘等组成。负责视频原始信号的产生，为应用软件提供运行所需的硬件平台。

操作系统中利用GPU对应的驱动程序和显卡库函数支持，可以最大限度的操作GPU中的流处理器的视频生成功能，从而可以做到支持多种格式视频输出的要求。

2.2 视频格式变换模块设计

视频格式变换模块接收视频信号发生模块的DVI格式原始视频信号，把收到的DVI信号经SiI161数字化成RGB三色的数字信号供FPGA帧存。FPGA把帧存后的信号根据用户要求转换成各种需要的格式和各种分辩率输出，如复合视频PAL和NTSC、VGA、HDMI/DVI、LVDS等，通过视频总线送给视频输出接口板，转成标准视频硬件接口对外输出,视频格式变换模块原理图如图3所示。

图3 视频格式变换模块原理框图

视频格式变换模块部分，采用ALTERA公司的高性能EP3C40系列的可编程逻辑阵列FPGA芯片[7-9]，具有低功耗、高性能，负责帧缓存、视频格式转换、视频输出等简单功能，减小功耗的同时减少发热量[10]。视频格式变换模块主要由DVI输入接口电路、复合视频PAL和NTSC输出接口电路、VGA输出接口电路、HDMI/DVI输出接口电路、LVDS输出接口电路、帧存储电路等组成。模拟视频变换缓冲模块采用FPGA+帧存数字视频处理电路和视频D/A，输出各种模拟视频信号。数字视频变换缓冲模块将视频信号发生模块的输出(Display Port)转换为DVI、HDMI和LVDS接口标准, 并采用FPGA+帧存数字视频处理电路改变帧/场刷新速度。

2.3 电源及充放电管理模块设计

电源及充放电管理模块负责AMD工控主板、视频格式变换模块、视频输出接口模块的供电，并对电池充放电管理。与AMD工控主板用RS232进行通信，把电池电量等信息和状态回传给主板，电源及充放电管理模块把电源输入为24 V～32 V DC，采用DC-DC开关电源集成电路，输出+5 VDC/3 A和+3.3 VDC/3 A等电压供其它电路板使用，并负责对电池充放电管理、过压欠压保护等，电源及充放电管理模块原理图如图4所示。

图4 电源及充放电管理模块原理图

3 软件设计

多功能视频信号源的控制界面部分的软件采用C语言在GCC平台上开发，FPGA程序采用Verilog HDL,在Quartus II平台上开发。多功能视频信号源整体软件架构如图5所示。

图5 多功能视频信号源软件架构

控制界面软件包括：主界面控制模块、视频源控制模块、串行通讯模块和音频输出控制模块及电源管理等部分组成。

FPGA包括：DVI输入模块、帧缓存模块、视频格式转换模块、视频输出模块和串行通讯模块及故障自检模块。FPGA程序软件主要流程，设计如图6所示。

图6 FPGA软件流程

4 实验结果及结论

飞行试验中对便携式多功能视频信号源进行了验证试验，视频信号源根据测试需求，可以完成各种需要的格式和各种分辩率输出，如复合视频PAL和NTSC、VGA、HDMI/DVI、LVDS等，最大分辨率:2 048*2 048。

该视频信号源使用便捷，工作稳定性好，可提供多种制式的测试图像，同时可根据特定要求产生特殊制式或信号。

5 结束语

本文提出了一种便携式多功能视频信号源设计方案，详细阐述了信号源系统的硬件及软件设计，信号源可提供多种制式的测试图像，同时可根据特定要求产生特殊制式或信号，可以广泛适用于视频测试领域，该套视频信号源已经成功应用于飞行试验视频测试中，系统采用模块化与通用化的设计思路，对其他领域的应用也有一定的参考价值。

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Design of a Portable Multifunctional Video Signal Source

Gong Haibo, Xu Qian, Zhu Hongxiang

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

Aiming at the current status of the single video signal source, a new design scheme of portable multi function video signal source system is proposed. Described in detail the hardware and software design of the signal source system scheme based on consideration of the portable, multi function, reliability, the equipment adopts the AMD APU chip platform, reduce the FPGA resource consumption, simplify the design of the hardware circuit and software supporting adopted modular design. Video signal source can provide a variety of standard test images, at the same time, according to specific requirements to produce a special standard or signal. The experimental results show that the system has good stability, high reliability and convenient use, and can meet the design requirements.

flight test; multi function; video signal source; FPGA

2016-04-11；

2016-04-29。

宫海波(1982-)，男，工程师，陕西西安人，硕士研究生，主要从事机载测试技术方向的研究。

1671-4598(2016)07-0304-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.082

TB22

A