視頻信號發(fā)生器設(shè)計方案

視頻信號發(fā)生器是檢測電視系統(tǒng)視頻通道傳輸質(zhì)量的一種常用信號源，可以用來對電視系統(tǒng)中的視頻通道的傳輸特性進(jìn)行測試和調(diào)整。它能夠方便地檢測復(fù)合視頻信號的幅度、周期，并對各彩條信號的編碼關(guān)系等顯示得十分清晰而精確。以下是一個基于單片機(jī)和FPGA的視頻信號發(fā)生器設(shè)計方案，詳細(xì)描述了主控芯片的型號、作用以及設(shè)計流程。

一、設(shè)計概述

本設(shè)計將研究如何利用單片機(jī)和FPGA來制作視頻信號發(fā)生器。該視頻信號發(fā)生器具有性價比高、應(yīng)用廣泛的特點，適用于教學(xué)、科研和工程測試等領(lǐng)域。通過單片機(jī)靈活的編程能力，可以設(shè)計多種不同形式的視頻信號發(fā)生器，如彩條信號發(fā)生器、棋盤格信號發(fā)生器、方格信號發(fā)生器、活動矩形信號發(fā)生器等。

二、主控芯片型號及作用

1. FPGA芯片

型號：Altera Cyclone II系列 EP2C20Q240

作用：

• 邏輯時序控制：FPGA作為主控單元，實現(xiàn)各種邏輯時序功能，確保信號發(fā)生器能夠按照預(yù)定的時序輸出信號。

• 數(shù)據(jù)存儲：FPGA內(nèi)部具有豐富的邏輯單元（LE）和I/O輸出口，可以存儲和處理大量的視頻信號數(shù)據(jù)。

• 時鐘管理：EP2C20Q240具有16個時鐘輸入通道和4個鎖相環(huán)（PLL），可以接受外界時鐘芯片提供的時鐘信號，并進(jìn)行時鐘管理，確保信號發(fā)生器輸出信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

• 接口兼容性：該芯片支持多種單端I/O標(biāo)準(zhǔn)，如LVTTL、LVCMOS、PCI和SSTL-2/3，方便與其他設(shè)備連接。

詳細(xì)參數(shù)：

• 邏輯單元（LE）：18752個

• I/O輸出口：123個

• 封裝形式：QPFP，易于制作

• 接口電壓：3.3V

• 內(nèi)核電壓：1.2V

• 工藝技術(shù)：0.13um全銅工藝技術(shù)

2. 單片機(jī)芯片

雖然具體型號未在題目要求中明確，但單片機(jī)在設(shè)計中通常用于以下功能：

• 控制信號生成：單片機(jī)通過編程控制FPGA，生成所需的視頻信號。

• 用戶界面：單片機(jī)可以連接按鍵、顯示屏等用戶輸入/輸出設(shè)備，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示。

• 通信接口：單片機(jī)通常具有多種通信接口（如UART、SPI、I2C等），可以與計算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3. 其他關(guān)鍵器件

• 視頻編解碼芯片：Silicon Image公司的Sil160和Sil161，用于DVI輸入/輸出。

• LVDS輸出芯片：TI公司的SN75LVDS83，用于LVDS信號輸出。

• 時鐘芯片：AMI公司的FS6370，提供穩(wěn)定的時鐘信號。

• 電源芯片：LM317，提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

• USB傳輸芯片：FT245BM，用于USB數(shù)據(jù)傳輸。

三、設(shè)計流程

1. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)主要包括以下幾個部分：

• 主控模塊：以FPGA為核心，負(fù)責(zé)邏輯時序控制、數(shù)據(jù)存儲和時鐘管理。

• 信號生成模塊：由單片機(jī)控制FPGA生成所需的視頻信號。

• 輸入輸出模塊：包括DVI輸入/輸出、LVDS輸出等，用于信號的輸入和輸出。

• 電源模塊：提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

• 通信模塊：用于與計算機(jī)或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2. FPGA邏輯設(shè)計

FPGA的邏輯設(shè)計主要包括以下幾個部分：

• 時鐘管理模塊：接收外界時鐘芯片提供的時鐘信號，通過鎖相環(huán)（PLL）進(jìn)行時鐘分頻和倍頻，生成所需的時鐘信號。

• 信號生成模塊：根據(jù)單片機(jī)的控制指令，生成所需的視頻信號。這包括彩條信號、棋盤格信號、方格信號等。

• 數(shù)據(jù)存儲模塊：存儲視頻信號數(shù)據(jù)，包括圖像的像素值、顏色信息等。

• 輸入輸出控制模塊：控制DVI輸入/輸出、LVDS輸出等，確保信號能夠正確傳輸。

3. 單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)的程序設(shè)計主要包括以下幾個部分：

• 初始化程序：初始化單片機(jī)的各個外設(shè)和接口，配置時鐘源和中斷等。

• 用戶界面程序：設(shè)計按鍵和顯示屏的用戶界面，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示。

• 通信程序：實現(xiàn)單片機(jī)與計算機(jī)或其他設(shè)備的通信功能，包括數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

• 控制程序：根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)，控制FPGA生成所需的視頻信號。

4. 硬件連接與調(diào)試

硬件連接主要包括以下幾個部分：

• FPGA與單片機(jī)連接：通過SPI或其他通信接口連接FPGA和單片機(jī)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。

• FPGA與輸入輸出模塊連接：連接DVI輸入/輸出、LVDS輸出等模塊，確保信號能夠正確傳輸。

• 電源模塊連接：連接電源芯片和電源輸入接口，提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

• 通信模塊連接：連接USB傳輸芯片和計算機(jī)或其他設(shè)備的通信接口。

調(diào)試過程主要包括以下幾個步驟：

• 硬件檢查：檢查各個硬件模塊的連接是否正確，電源是否穩(wěn)定。

• 軟件調(diào)試：通過單片機(jī)編程器將程序下載到單片機(jī)中，進(jìn)行軟件調(diào)試。

• 信號測試：使用示波器或信號發(fā)生器測試輸出的視頻信號是否符合預(yù)期。

• 系統(tǒng)測試：將系統(tǒng)連接到電視或顯示器上，進(jìn)行整體測試，確保系統(tǒng)能夠正常工作。

四、設(shè)計總結(jié)

本設(shè)計采用單片機(jī)和FPGA相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了一款功能強(qiáng)大、性價比高的視頻信號發(fā)生器。通過靈活的編程能力和豐富的邏輯單元，F(xiàn)PGA能夠生成多種形式的視頻信號，滿足教學(xué)和科研等領(lǐng)域的需求。單片機(jī)則提供了用戶界面和通信接口等功能，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)交換。

在設(shè)計中，我們采用了Altera Cyclone II系列的EP2C20Q240作為主控芯片，該芯片具有功能強(qiáng)大、價格低廉等優(yōu)點，完全滿足設(shè)計需求。同時，我們還采用了Silicon Image公司的視頻編解碼芯片、TI公司的LVDS輸出芯片等關(guān)鍵器件，確保信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

通過本次設(shè)計，我們不僅掌握了單片機(jī)和FPGA的基本應(yīng)用方法，還深入了解了視頻信號發(fā)生器的工作原理和設(shè)計流程。這對于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都具有重要的指導(dǎo)意義。