复杂数字视频信号处理器IP核设计

摘 要： 关键词：数字视频处理  场序制彩色FSC  FPGA  IP核
   
       进入21世纪，硅基液晶LCoS(Liquid Crystal on Silicon)显示技术取得了长足的发展，也促进了显示器的微型化。LCoS微型显示器是一种新型的单色反射式液晶显示器件，是半导体VLSI技术和液晶技术巧妙结合的高新技术。由于其自身所具有的体积小、低功耗等独特优点，该显示器在军事和民用领域得到了广泛的应用，如蜂窝可视移动电话、袖珍式电子字典、掌上型投影仪、GPS观测器、虚拟现实、可穿戴计算机、视频游戏等，具有良好的发展前景。MD800G6是比较典型的产品，但它需要设计专门的驱动电路，而其驱动电路中必然存在复杂的视频处理电路。
     由于复杂的数字视频处理电路不但需要处理极大的数据量，处理过程复杂，而且系统工作频率高，涉及到复杂严格的时序逻辑关系，如果使用普通的集成电路或芯片，则所耗用资源非常惊人，并且有可能造成时序混乱。而EDA技术在其驱动控制设计上具有很大的优越性和灵活性[1，2，3]。为了减少系统的体积，提高系统的抗干扰能力，本文按照场序制彩色FSC(Field Sequential Color)原理和VESA标准，采用现代EDA设计方法和Verilog HDL及模块化的设计方法，设计了一个适于FPGA实现的、应用于MD800G6驱动控制器中的复杂数字视频信号处理器IP核。
   
原理分析
   
场序制彩色FSC原理
   
     FSC是一种利用灰度级显示器产生彩色图像的视频技术[4，5]。所谓场序制彩色，就是将每一帧视频数据划分为红（R）、绿(G)、蓝(B)三个并行分量，每一个分量称为一场。显示器分时按场显示，即首先显示红场，其次是绿场，最后显示蓝场。每一场显示时用相应的LED光源（分别为红光、绿光、蓝光）照射一段时间，这段时间的长短决定了彩色图像的色度。由于场刷新频率（帧频为60Hz时场频为180Hz）远高于人眼的分辨频率，从而形成了高质量的没有闪烁的彩色图像。因此场序制彩色显示技术又称为时间混色法，它在显示原理上不同于通常的空间混色法显示技术[6]。FSC技术允许的像素可以比空间混色法技术更大更亮而不影响显示效果，但对于空间三原色形成的彩色图像，如果像素太大就会影响图像质量。
     利用FSC技术可以把并行的VGA RGB信号转化为串行的序列RGB信号。其时序关系如图1所示。需要注意，利用FSC技术必须要求VGA格式同时提供每个像素的三个颜色分量。为了将VGA RGB信号转换到序列RGB信号，驱动控制电路必须能够缓存每场数据，例如显示红场数据时，绿场和蓝场数据必须暂存起来，等红场数据结束时，再把绿场数据从存储器中取出显示，依次进行。因此，必须使用大容量的RAM来暂存一帧VGA RGB信号，这个RAM不仅要求容量大，而且速度要求也很高。
   
   
   
VESA视频信号标准
   
     在设计驱动控制方案之前，必须先了解来自PC主机VGA接口的VESA视频信号的时序标准。PC主机VGA接口输出的视频信号标准为VESA Version1.0，其分辨率为800×600，刷新频率为60Hz，行频37.879kHz，帧频60.317Hz，像素时钟40.000MHz，逐行扫描。标准时序如图2所示。
   
   
   
     标准VGA接口(标准VESA格式)共有15个信号(DB15连接器)，这里只用到RED、GREEN、BLUE三个0.7Vp-p并行模拟视频输出信号和Hsync、Vsync两个同步信号，由于这五个信号不符合MD800G6的要求，所以必须将其进行各种变换处理，转化为符合MD800G6的信号格式后，才能送入MD800G6中。因此驱动控制器的主要任务就是将来自计算机VGA口的RGB模拟视频信号数据转换成符合MD800G6要求的视频信号，将同步信号Hsync和Vsync转换成MD800G6的时序标准，换句话说，就是将标准VESA信号经过一系列变化，最终转换为MD800G6要求的视频数据格式和控制信号时序，从而使该显示器能正常工作。
     由于VESA标准的像素总数为480 000，每个像素为8位数据，采用场序制时每帧划分为三场，所以每帧的数据量为：480 000×3×8位；为了节省存储器空间，选用32位字长的SRAM，SRAM的存储深度至少为：480 000×3×8/32=360 000字，约为360 000/1 024=352K字；VESA标准的像素时钟频率是40MHz，所以系统工作频率应最小为40MHz，从而存储器的存取时间不能高于25ns。选择两片相同的SRAM，每一片存储相邻的一帧数据。将每片存储器的空间分为三个部分，分别用来存放红场、绿场和蓝场数据；存储器内的数据每隔一帧更新一次。
   
数字硬件电路总体设计方案
   
     根据原理分析，整个电路由数据处理模块和时序控制模块两大部分组成，而这两大模块又分别由三个子模块和两个子模块组成，如图3所示。
   
   
   
     (1)数据打包模块：该模块的功能是在前端有效视频期间，将来自ADC的三路并行8位数字视频数据进行组合，并按R、G、B的顺序依次存入72位字长SRAM的三个区域中。因此，打包器把每9个8位单色像素数据打包成一个72位的字。为了优化存储器性能，这些72位的字首先经过一个存储深度为240个72位字的先进先出存储器（FIFO）缓存一下，然后用促发方式（burst out）送给SRAM(这240个字包括红绿蓝分量各80个字)。该模块主要由一个打包计数器和一些组合电路构成的。
     (2)数据解包模块：该模块的功能是在后端有效视频期间，将从SRAM取出的72位数据进行分解并重新组合，形成四路8位并行视频输出，如图4所示。图中的粗黑线表示不同的72位字的边界。从图中可以看出，每9个解包时钟周期就有4个72位字被解包，每个解包时钟周期有四组8位数据并行输出，这四组信号被送到场反相器。由于每个时钟周期送出的四组数据不一定是从同一个72位字中解包而来的，所以中间需要缓冲器来寄存前一个72位字的部分数据。解包器的数据不是直接来自SRAM，而是先经过一个桶形寄存器（BUCKET）缓存4个72位字，每9个时钟周期更新一次。该模块主要由一个解包计数器和一些组合电路构成。
   
   
   
     (3)前端时序变换模块：该模块的主要功能是把VESA标准的两个同步信号Hsync(行同步)和Vsync(帧同步)进行处理，译码为前端有效视频控制信号及其他控制信号，并和打包器同步工作。它主要由水平像素计数器、垂直行计数器、偏移量计数器、钳位计数器及一些组合电路构成。水平像素计数器在像素时钟的上升沿加1，在行同步信号的上升沿被复位；垂直行计数器在行同步信号的上升沿加1，在帧同步信号的上升沿被复位。偏移量计数器用来确定所显示图像的位置；钳位计数器产生ADC的钳位信号。
     (4)后端时序变换模块：该模块的基本功能是根据前端时序变换器送来的帧同步控制信号，生成后端有效视频控制信号及符合微显示器时序的各个控制信号。它主要由水平像素计数器、垂直行计数器、场计数器及一些组合电路构成，这些计数器分别跟踪水平像素位置、垂直行位置和当前场的位置，并与解包器同步工作，以使视频数据与各控制信号有正确的时序关系。水平像素计数器在每一个像素时钟的上升沿加1，在每一行结束时被复位；垂直行计数器在每一行结束时加1，在每一场结束时被复位；场计数器在每一场结束时加1，在每一帧结束时被复位。
     (5)SRAM控制模块：该模块的主要功能是对打包器写SRAM请求和解包器读SRAM请求进行仲裁，并生成相应的地址信号。它包括两个部分，即存储器写控制和存储器读控制。解包器的读请求优先于打包器的写请求，因此当有存储器的读请求时，数据的猝发写SRAM应当暂停，直到读请求信号消失；这期间为了避免丢失信息，需要保存猝发数据。除了上述功能外，控制器还应该在没有读写请求时让SRAM处于休眠状态，以节省能量。
     由于每个场包括600行，每行需要92个72位字（每个字包含了9个像素点数据），所以每一场需要的存储空间为：92×600=55 200字。故SRAM的地址分配如下：
     红场区域：0~55 199；
     绿场区域：55 200~110 399；
     蓝场区域：110 400~165 599。
     ①存储器写控制：由FIFO控制、场计数器、行计数器、地址计数器、加法器及一些组合电路构成。
     ②存储器读控制：主要由地址计数器及一些组合电路构成。
仿真结果
     整个系统的工作过程必须依靠严格的逻辑时序关系来协调，否则显示器不能正常工作。本设计经过功能和时序仿真分析，完全符合要求。限于篇幅和系统的复杂性，本文只给出数据处理模块的简化时序仿真波形，如图5所示。仿真波形显示了设计的正确性和可行性。
   
   
   
     本文提出了适合在FPGA上实现的复杂数字视频信号处理器IP核，给出了各模块较详细的设计，并给出了数据处理模块的仿真结果。
     本设计克服了使用普通集成电路耗用资源量大和可靠性差的缺点，大大减小了体积并提高了性能，而且修改方便，升级容易，可扩展性强，稍作修改就可以应用于不同的系统。本设计已经成功应用于可穿戴式计算机的微型显示驱动控制电路中。
参考文献
[1] 耿卫东，代永平，任立儒等.LCos序彩色显示控制器的设计[J].液晶与显示，2003，18(3)：188-192.
[2] 代永平，龚卫东，孙钟林.硅基液晶显示器(LCoS)核心-显示系统芯片的设计分析[J].光电子技术，2001，21（2）：79-88.
[3] DAI Y，GEN W，SUN Zhonglin，et al.Optimizing the design for microdisplay on silicon，creating IP modules
      for a new type of SOC[J].Proceedings 4th International Conference on ASIC，2001：785-788.
[4] CHUNG Y，LEE J，CHAE G.ASIC design of color sequential driver for LCOS(liquid crystal on silicon)  microdisplay devices[C].ICCE，International Conference on Consumer Electronics，2001：6-7.
[5] 代永平，孙钟林.LCoS微型显示器的时序彩色化设计[J].现代显示，2001，（3）：18-23.
[6] 王明臣.彩色电视接收机原理[M].北京：人民邮电出版社，1983：10-100.