基于VGA接口的视觉辅助驾驶系统投影信号转换电路设计

曾清德　覃舒琳　李盛福

摘 要：采用单片机AT89C51驱动TFT -LCD控制模块中的VGA接口，产生标准的显示信号并进行投影，设计VGA接口信号转换到模拟液晶屏上显示的驱动电路，利用 AD9883A芯片强大功能，实现HUD信息显示。

关键词：TFT-LCD VGA接口信号 AD9883A芯片 驱动电路

1 引言

HUD抬头显示系统又称平视显示系统，最初运用在战斗机上，随着投影技术的发展，HUD这项技术由于独特的安全辅助性能将会与汽车系统配置结合，用以显示众多的信息，除车速和发动机转速等常规信息外，还包括车外的天气状况，车载诊（OBD）信息，目的地的搜索以及各种App的服务内容;基于增强现实技术（AR）的HUD还能够能够识别盲点并及时发出警告以避免发生交通事故。

薄膜晶体管液晶显示器（FT-LCD）具有轻薄平坦，耗电量低，没有辐射而且显示质量好等特点。VGA是一种标准的15芯显示屏界面的接口。本设计采用单片机驱动VGA接口信号，产生标准的显示信号进行投影，基于VGA接口信号转换到模拟液晶屏上显示的驱动电路，可以达到高分辨率，快速的显示通过接口连接的信息以及显示丰富色彩的图像等优点，见图1。

2 电路设计

由单片机AT89C51驱动TFT -LCD控制模块中的VGA接口具体连接电路图5-2如所示：

很多的多媒体计算机外屏设备要实现各种色彩多样复杂的图像显示都是通过模拟VGA接口来连接的，通过VGA接口连接R、G、B这三种原色信号还有行、场同步信号是通过数字/模拟转换器把经过处理后计算机内部生成的以数字信号的形式显示的图像转换而来的，经过这一系列的转换处理，最后通过电缆传输到了显示设备中。LCD等是一种接收数字信号的显示设备，所以要想实现LCD的显示功能，必须在显示设备中加入相应的A/D（数字/模拟）转换器，这样才能使输出设备出来的模拟信号转变为数字信号，通过接口生成的数字化的行、场同步信号和显示数据信号再通过显示电路的处理，最后才能成为液晶显示屏可以接手的数据格式。本设计采用TFT-LCD作为投影显示设备。

3 AD9883A芯片

AD9883A是一个8bit×3通道的模拟数字转换装置，最大的转换速率为140MS/s（百万次采样/每秒），就因为它有这么快的转换率，所以它广泛被用作各个领域数模信号转换的装置。该芯片专门用于采集模拟R、G、B信号，将数字化作为中间转换器件使用，最常用在视频信号处理领域。AD9883A不仅有三条通道的视频数模转换路径，而且具极高的性能，RGB三色信号可以通过它在同一时间内被采集，这样就使得它在信号采集的时间比其他的转换器快跟多。AD9883AN内部包含了25个寄存器，其中有15个为只读寄存器，4个为备用寄存器，而剩下的6个寄存器既可读又可写;AD9883A初始化和控制都是依靠它内部的寄存器来进行的。如果要确保AD9883A的正常工作，这些寄存器就需要写入要达到的目标功能的数据信息，而且不同的程序环境，寄存器执行的功能也不同。AD9883A应用在新的环境之前必须进行初始化，否则它输出的信号就不是很准确。它的初始化是靠它内部的SDA和SCL引脚执行的，时序符合fc总线的时序标准。

AD9883A的基本特点：（1）最大转换率140MSPS（2）模拟带宽300M（3）模拟电压输入范围0.5V到1.0V（4）110MSPS时PLL时钟波动为500ps p-p.电源3.3V（5）实时同步处理（6）热插拔同步检测（7）中级嵌位（8）节能模式（9）低能：典型500mW（9）4：2：2输出格式。

3.1 AD9883A芯片内部功能模块

数模转换装置输入VGA视频信号后，信号是不能直接进入转换器直接进行转换处理的，进入之前必须要使其输入的电平满足A/D转换模块的要求，而要满足其电平的要求，就必须通过先钳制电位的方式来调整他的直流偏移分量。AD9883A内，有高清的A/D转换器（高宽带），八位分配率和110ms/s的转换速度来对经过处理后电位的模拟视频信号进行采样、量化、编码。最后得到的数字信号通过寄存器调整采样相位，获得最好的转换效果。

通过PLL（同步）设备创建的样本时钟可以用作参考时间，A/D共识所需要的样本时钟需要通过分离频率才能获得，在AD9883A内部，集成了超低抖动锁相环，就是因为有这个锁环扣的存在，所以AD9883A在所有的工作模式下，时钟抖动都低于时钟的5%。因此，系统能产生稳定清晰的图像主要依靠的就是AD9883A的稳定性;AD9883A可以接受丰富的图像格式，是因为它有一个范围宽度大，可以调节的锁环口，锁环口可以根据输入不同的图像格式来进行调节其开度，产生的像素点频率可达到12-140MHz。

AD9883A的同步信号产生模块可以识别多种同步信号输入模式，并根据需要灵活设置各种同步信号输出模式。如果要器件的初始化就要通过I2总线时序来实现。

A/D转换模块可以采集形式多样的VGA图像格式，但是它有一个弊端就是不能实现图像格式的自动检测，要想要实现图像格式的自动检测，就必须通过它内部自己提供I2接口进行设置，通过FPGA控制器来对图像格式的自动检测。除此之外，VGA图像在不同的格式下场同步信号的有效脉冲电平是不均匀的。A/D转换模块将自动检测到的输入场同步信号的极性存储在内部的寄存器中，而输入VGA场信号的极性通过读取存储在寄存器内的信息来判断。由A/D转换模块输出的场同步信号实现了输入场同步信号的反相位。而要判断是否需要设置A/D转换器对场信号进行反向处理，则需要在采集前读取A/D转换器内部寄存器来判断当前输入同步信号的极性，因为FP -GA内部的同步逻辑只支持一种有效电平的场同步信号。

输入的模拟信号经过钳制电位处理、亮度和对比度调整、偏置控制后，液晶显示器所需的数字視频信号的是在锁相环产生的采样时钟作用下，由AD9883A内部3个高精度高速度的A/D转换器转换而来。图4为数据输出时序图，下面通过数据输出时序图对图像的采集过程进行分析，根据时序图可看到输出数据时钟DATACK在一个周期内有下降段和上升段，这个过程里下降沿对应的是其对信号的采集和量化;经过量化后的数据在时钟上升沿稳定的输出;经过这一个周期的工作后，图像数据被接口电路准确的锁存在DATACK上沿，这样就实现数字化图像的采集;这个就是数据的整个采集过程。图中的HSYNC是用来消除边沿定时的不确定性的，这样就保证了像素时钟和数据的相位不存在延迟等问题，。AD9883A有一个数据输出通道，如果输出的数据中存在无效数据的现象就说明数据在输出之前没有对通道进行清空，因此，为了保证输出数据的有效性，在数据输出之前应对通道进行清空。

4 结语

本项目研究的抬头显示系统（HUD）以AD89C51单片机为核心，选择基于LCD的TFT-LCD的投影技术作为对象，所需要的显示信息如车速和发动机转速等，可选择霍尔传感器作为信号的获取端，霍尔传感器输出的信号被信息采集电路处理成为方波脉冲信号，才能被单片机识别。本文重点在于选择VGA标准信号作为连接单片机单元与投影单元的通道，主要设计出以单片机为基础的基于VGA接口的投影转换驱动电路，系统选用功能强大AD9883A芯片，实现HUD信息显示。

（本文来源于广西科技大学2020年大学生创新项目【202010594244】）。

参考文献：

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[2]胡宇，车载抬头显示器系统地研究[D].武汉理工大学，2012.

[3]张伟华，基于非晶体硅TFT-LCD显示系统与控制模块研究[D]，西安理工大学，2008.