機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

宮海波，徐 茜，張長茂

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

宮海波，徐 茜，張長茂

(中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089)

為了實(shí)現(xiàn)基于高速航電總線的多路DVI視頻信號的采集及實(shí)時(shí)檢測，提出了機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案；針對高速航電總線多路DVI視頻信號速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，完成了信號均衡、信號預(yù)加重及高速信號全交叉設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)完成對轉(zhuǎn)輪開關(guān)的采集、消抖和判斷，通過配置相應(yīng)寄存器完成測試DVI口的通道切換功能；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性好、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，解決了高速航電總線多路DVI視頻信號的檢測難題，滿足設(shè)計(jì)需求。

千兆以太網(wǎng)；飛行試驗(yàn)；DVI視頻；轉(zhuǎn)換器

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是視頻傳輸技術(shù)的不斷更新，視頻格式已從最初的復(fù)合模擬視頻發(fā)展到VGA視頻，再發(fā)展到目前視頻顯示主流技術(shù)的DVI數(shù)字視頻[1]，DVI數(shù)字視頻具有高分辨率、高刷新率以及高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在日常生活中已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。隨著視頻數(shù)據(jù)量的不斷增大，在傳輸距離遠(yuǎn)、對圖像質(zhì)量和抗干擾能力要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，為了提高視頻傳輸質(zhì)量，減少信號傳輸損耗和失真，基于新型高速航電總線的視頻傳輸技術(shù)在視頻領(lǐng)域獲得了極大的關(guān)注[3-5]，目前人們對以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率要求不斷提高，現(xiàn)有以太網(wǎng)的10 MbPs和100 MbPs數(shù)據(jù)傳輸速率己不能滿足應(yīng)用要求，千兆網(wǎng)絡(luò)及配套設(shè)備正逐步投入應(yīng)用[6]。

為了完成高速總線視頻信號采集、信號處理及圖像顯示，在視頻傳輸?shù)幕A(chǔ)上必須完成視頻信號轉(zhuǎn)換[7]，目前常見的視頻信號轉(zhuǎn)換主要涉及AV信號轉(zhuǎn)換成HDMI信號、S-Video信號轉(zhuǎn)換成VGA信號、AV信號轉(zhuǎn)換成VGA信號以及DVI信號轉(zhuǎn)換成VGA信號等形式[8-10]。本設(shè)計(jì)在視頻傳輸系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了新型千兆網(wǎng)絡(luò)多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，完成了多路DVI視頻信號的采集記錄及實(shí)時(shí)檢測。

1 系統(tǒng)功能概述

在機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)5路DVI視頻信號的轉(zhuǎn)換功能，每路DVI視頻信號分別轉(zhuǎn)換輸出為2路DVI電信號，其中一路輸出用于機(jī)載測試記錄器進(jìn)行記錄，另一路輸出地面檢查使用,通過面板開關(guān)進(jìn)行“5選1”視頻畫面檢查。

機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器主要接收機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)5路DVI視頻信號，并將接收到的DVI視頻信號轉(zhuǎn)換為DVI視頻電信號進(jìn)行輸出。同時(shí)具有1個(gè)測試DVI接口，可通過外部開關(guān)選擇具體5路輸入DVI信號的任意一路輸出。在轉(zhuǎn)換過程中不對輸入的視頻源信號進(jìn)行任何軟件處理，保證輸出視頻的分辨率和幀頻保持不變，僅完成分路切換功能。當(dāng)輸入端無信號輸入時(shí)，輸出端無信號輸出、顯示器黑屏。視頻信號轉(zhuǎn)換的功能框圖如圖1所示。

圖1 視頻信號轉(zhuǎn)換功能框圖

2 轉(zhuǎn)換器總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器硬件電路主要包括電源轉(zhuǎn)換模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊、DVI信號均衡模塊、高速信號全交叉模塊、DVI信號預(yù)加重模塊、DVI接口靜電防護(hù)模塊、開關(guān)信號消抖模塊等，轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功能框圖如圖2所示。

圖4 視頻信號轉(zhuǎn)換模塊電路圖

電源模塊主要是將外部輸入電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，為轉(zhuǎn)換器內(nèi)部元器件提供所需的電源,轉(zhuǎn)換模塊主要是將接收到機(jī)載千兆網(wǎng)絡(luò)的DVI信號轉(zhuǎn)換為DVI電信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的DVI電信號，先經(jīng)過均衡電路后再進(jìn)行交叉選擇，以提高DVI信號質(zhì)量,通過外部轉(zhuǎn)輪開關(guān)來觸發(fā)外部單片機(jī)工作，控制全交叉芯片內(nèi)部寄存器值按轉(zhuǎn)輪開關(guān)位置進(jìn)行刷新，實(shí)現(xiàn)全交叉芯片內(nèi)部切換鏈路的動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對5路DVI信號的監(jiān)控，為防止測試接口上的視頻信號誤切換，外部開關(guān)信號輸入以后首先進(jìn)行消抖處理，本方案消抖部分由單片機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)。

圖2 轉(zhuǎn)換器功能框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電源轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊主要是將外部輸入電源經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，為轉(zhuǎn)換器內(nèi)部元器件提供所需的電源。系統(tǒng)采用28 V電源供電，為保證產(chǎn)品供電的可靠性和系統(tǒng)的電磁兼容性能，產(chǎn)品內(nèi)部供電部分采用直流濾波器加DC-DC電源模塊的方式，系統(tǒng)電源先經(jīng)過直流濾波器后再進(jìn)行DC-DC變換，得到所需的5 V電源。在DC-DC電源模塊輸入端串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管，可以有效防止電源反接，同時(shí)在電源模塊輸入端并聯(lián)一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，可有效抑制輸入電源浪涌以及瞬時(shí)電壓過大。

電源轉(zhuǎn)換芯片用于將輸入的5 V電源轉(zhuǎn)換為各芯片工作所需的1.2 V、1.8 V和3.3 V三種電源電壓。根據(jù)主芯片的供電要求及印制板尺寸的限制，選用LTC的一款集成度較高的微型模塊穩(wěn)壓器，寬輸入電壓范圍：4～14 V，輸出電壓0.6～5.5 V可調(diào)，它可提供每通道4 A電流的四通道DC/DC穩(wěn)壓源，且內(nèi)部集成開關(guān)控制器、功率FET、電感器等，使外部配置電路相對簡單，且同時(shí)具有過壓、過流和過熱保護(hù)功能。其封裝形式為9 mm×15 mm×5.01 mmBGA封裝。芯片外圍配置簡單，可通過更改FB管腳上的下拉電阻來設(shè)置輸出電壓。系統(tǒng)供電的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.2 視頻信號轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

視頻信號轉(zhuǎn)換模塊主要是將接收到的DVI總線信號轉(zhuǎn)換為DVI電信號，針對多路DVI視頻總線信號，考慮到產(chǎn)品的體積要求，選用12路并行接收模塊，可同時(shí)接收3路DVI視頻信號的12路總線信號，傳輸速率可達(dá)3.125 Gbps。滿足了多路視頻信號轉(zhuǎn)換的需求且保證了設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，該模塊選用集成化程度高的多路并行電路設(shè)計(jì)，保證了多路視頻信號傳輸和處理過程中的信號一致性，提高設(shè)備小型化的同時(shí)提高了系統(tǒng)的性能，視頻信號轉(zhuǎn)換模塊電路原理圖及封裝形式如圖4所示。

視頻信號轉(zhuǎn)換模塊主要由電源模塊、電信號接口模塊、介質(zhì)轉(zhuǎn)換芯片、輸出接口模塊等部分組成。視頻總線信號數(shù)據(jù)經(jīng)過電信號接口模塊后傳輸?shù)浇橘|(zhì)轉(zhuǎn)換芯片，介質(zhì)轉(zhuǎn)換電路接收數(shù)據(jù)后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，然后對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行重新定義，之后數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷敵瞿K，完成視頻數(shù)據(jù)總線信號到視頻數(shù)據(jù)電信號的轉(zhuǎn)換，由電信號接口模塊將數(shù)據(jù)傳遞到傳輸鏈路中，最終實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端數(shù)據(jù)的處理及傳輸。

3.3 電信號輸入均衡電路設(shè)計(jì)

機(jī)載測試抽引鏈路在實(shí)施工程中需要滿足一定的線纜鋪設(shè)要求，視頻信號尤其是高頻高速率視頻信號經(jīng)過線纜傳輸后會有傳輸損耗，因此在設(shè)計(jì)了電信號輸入均衡電路設(shè)計(jì)。均衡電路可以對信號傳輸通道的低通濾波特性進(jìn)行校正處理，對于信號的輸入接口端，為達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸，采用均衡技術(shù)來降低長線纜傳輸帶來的損耗。選用TI的DS16EV5110ASQ均衡芯片，它支持3個(gè)最小化傳輸差分信號(TMDS)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)時(shí)鐘通道，每個(gè)數(shù)據(jù)通道的速率可達(dá)2.25 Gbps，滿足測試系統(tǒng)的指標(biāo)要求。DVI輸入均衡功能電路圖如圖5所示。

圖5 DVI輸入均衡電路圖

芯片BST的3個(gè)管腳可根據(jù)圖5中左表更改上下拉電阻來調(diào)節(jié)均衡增益。均衡增益在825 Mbps數(shù)據(jù)傳輸時(shí)為9 dB，實(shí)際1 280×1 024@60 Hz分辨率下，數(shù)據(jù)傳輸為1 Gbps，此數(shù)據(jù)下均衡增益小于9 dB，輸入端接入18 m電纜進(jìn)行傳輸?shù)那闆r下可清晰傳輸1 280×1 024@60Hz的信號。本方案中充分考慮信號衰減因素，而且產(chǎn)品內(nèi)部印制板走線較短， BST管腳設(shè)置000狀態(tài)，此時(shí)有9 dB均衡增益，可滿足系統(tǒng)傳輸要求。

3.4 高速信號全交叉電路設(shè)計(jì)

方案中DVI信號的最高分辨率為1 280×1 024@60 Hz，該分辨率的像素時(shí)鐘為108 MHz，DVI總線信號的速率為1 Gbps，信號速率較高無法直接對視頻信號進(jìn)行分路，方案設(shè)計(jì)之初考慮到采集視頻信號速率高且視頻信號路數(shù)多，視頻信號處理過程中需要完成視頻信號分路及視頻信號轉(zhuǎn)發(fā)等功能，為了減少系統(tǒng)處理過程中的延遲等因素，滿足視頻信號的高速處理需求，視頻信號分路及轉(zhuǎn)發(fā)的功能實(shí)現(xiàn)采用純硬件的實(shí)現(xiàn)思路，本方案采用MindSeepd公司高速差分全交叉芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)48×48對差分信號的全交叉選擇，速率范圍10 Mbps～11.88 Gbps。通過對芯片內(nèi)部寄存器的配置，不僅可以實(shí)現(xiàn)1對多分路、多對1選擇，可以實(shí)現(xiàn)輸出接口映射到任意輸入接口。芯片內(nèi)部將每4對高速差分信號劃分為1個(gè)Group，即一路完整的DVI，這樣可以有效保證DVI信號的4組高速差分信號之間相位的一致性。

高速全交叉芯片內(nèi)部首先對輸入的5路DVI視頻信號進(jìn)行分路，其中1路直接輸出，另一路進(jìn)入5選1切換模塊；其次針對5選1切換模塊，通過外部控制指令實(shí)現(xiàn)對輸出視頻信號的選擇控制。通過外部轉(zhuǎn)輪開關(guān)來觸發(fā)外部單片機(jī)工作，控制全交叉芯片內(nèi)部寄存器值按轉(zhuǎn)輪開關(guān)位置進(jìn)行刷新，實(shí)現(xiàn)全交叉芯片內(nèi)部切換鏈路的動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對5路DVI信號的監(jiān)控，高速全交叉芯片內(nèi)部功能框圖如圖6所示。

圖6 高速全交叉芯片內(nèi)部功能框圖

3.5 DVI信號預(yù)加重電路設(shè)計(jì)

為了便于信號的傳輸或記錄，需要對輸出的DVI信號某些頻譜分量的幅值相對于其他分量的幅值預(yù)先有意予以增強(qiáng)，來補(bǔ)償長距離電纜及印制板走線的損耗。

方案采用HDMI/DVI專用接口芯片，接口芯片可將按照TMDS格式編碼的DVI信號加以均衡的同時(shí)，對發(fā)送信號進(jìn)行預(yù)加重處理，其處理數(shù)據(jù)的速度可達(dá)2.25 Gbps，遠(yuǎn)超過1280×1024@60 Hz的數(shù)據(jù)速率1.48 Gbps。因此將芯片加至DVI輸出接口位置，可以對輸出端DVI信號進(jìn)行預(yù)加重，將DVI信號的傳輸距離延長至10 m，可滿足機(jī)載環(huán)境下的視頻信號的傳輸?shù)孺溌沸枨?，提高信號采集處理的整體效果，DVI信號預(yù)加重電路如圖7所示。

圖7 DVI預(yù)加重電路設(shè)計(jì)

3.6 信號消抖設(shè)計(jì)

為防止測試接口上的視頻信號誤切換，外部開關(guān)信號輸入以后首先進(jìn)行消抖處理，本方案消抖部分由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)信號狀態(tài)持續(xù)保持大于50 ms為有效信號，小于50 ms為抖動信號。開關(guān)信號通過過采樣的方式獲得，采樣時(shí)鐘為2.048 MHz。數(shù)據(jù)采樣之后通過邊沿檢測來判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生跳變。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)跳變之后，通過計(jì)數(shù)來判斷數(shù)據(jù)是否持續(xù)50 ms。若持續(xù)超過50 ms則輸出跳變后的狀態(tài)。否則不輸出，即保持跳變前的狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中測試口可以通過外部轉(zhuǎn)輪開關(guān)實(shí)現(xiàn)對5路視頻信號的測試，本方案采用單片機(jī)完成對轉(zhuǎn)輪開關(guān)的采集、消抖和判斷，并根據(jù)目前轉(zhuǎn)輪開關(guān)的位置，配置相應(yīng)的寄存器，完成測試DVI口的通道切換功能，軟件流程圖如圖8所示。

圖8 單片機(jī)軟件流程圖

首先對全交叉芯片進(jìn)行初始化。初始化過程包括輸入端口和輸出端口的初始化。使能全交叉芯片，關(guān)閉全部的輸入和輸出端口，使功耗為最低。配置前5路的DVI信號，使之通過全交叉芯片直接輸出顯示。分別配置相應(yīng)的輸入和輸出通道，實(shí)現(xiàn)輸入通道和輸出通道的交叉連接功能。面板上為轉(zhuǎn)輪開關(guān)，引入MCU的IO端口，通過IO口采集讀取開關(guān)狀態(tài)，并對開關(guān)信號進(jìn)行消抖處理。通過判斷轉(zhuǎn)輪開關(guān)的位置，完成通道切換的軟件配置，使輸出相應(yīng)通道的DVI視頻數(shù)據(jù)。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室聯(lián)試及裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)測試原理圖如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)換器測試原理圖

輸入5路DVI視頻光信號，分辨率為1280×1024@60Hz，連接顯示器分別對5路輸出DVI視頻電信號進(jìn)行測試，通過面板開關(guān)進(jìn)行五選一的視頻畫面切換檢查，同時(shí)對輸出的五路視頻畫面進(jìn)行記錄后數(shù)據(jù)分析。結(jié)果顯示，輸出的視頻圖像質(zhì)量與輸入保持一致，分辨率及幀頻沒有改變，視頻信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后滿足無偏色、抖動和拖尾現(xiàn)象，當(dāng)輸入視頻信號異常中斷后又恢復(fù)正常，設(shè)備能夠立即自動掃描、捕獲、鎖定信號，并重新輸出視頻信號，轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)及功能滿足設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語

本文提出了一種機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了轉(zhuǎn)換器的硬件及配套軟件設(shè)計(jì)，針對數(shù)據(jù)速率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的多路高速總線視頻信號，完成了多路DVI視頻總線信號的采集記錄及實(shí)時(shí)檢測，滿足視頻信號千兆網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用，該套視頻轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為其他網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了參考價(jià)值，該套機(jī)載多路DVI視頻信號轉(zhuǎn)換器已成功應(yīng)用于飛行試驗(yàn)過程中，解決了多路高速總線視頻信號的檢測難題。

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Design of Airborne Multi Channel DVI Video Signal Converter

Gong Haibo, Xu Qian, Zhang Changmao

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

In order to realize multi channel DVI video signal acquisition and real-time detection based on high speed avionics bus, a design scheme of airborne multi-channel DVI video signal converter is proposed. According to the characteristics of high speed and high real-time of multi channel DVI video signal in high speed avionics bus, According to the characteristics of multi-channel DVI video signal rate high speed avionics bus, high real-time, complete the signal equalization, signal pre emphasis and high-speed signal crossover design, using MCU to wheel switch acquisition, debounce and judgment, by configuring the corresponding register complete channel switching function test DVI port. The experimental results show that the airborne multi-channel DVI video signal converter has the advantages of good stability, high reliability and strong real-time performance, and solves the problem of detecting the multi-channel DVI video signal of high-speed avionics bus.

gigabit ethernet; flight test; DVI video; converter

2017-02-15；

2017-02-27。

宮海波(1982-)，男，工程師，陜西西安人，碩士研究生，主要從事機(jī)載測試技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0244-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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