基于FPGA的VGA—DVI視頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計

摘 要：提出了一種基于FPGA實現(xiàn)I2C總線接口來控制芯片ISL98003和芯片SII164完成VGA-DVI視頻轉(zhuǎn)換的設(shè)計方案。對輸入的VGA模擬視頻信號經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)換，輸出符合TMDS協(xié)議的DVI數(shù)字視頻信號。同時通過FPGA內(nèi)部設(shè)計實現(xiàn)了對視頻轉(zhuǎn)換模式選擇的可視化操。

關(guān)鍵詞：DVI；FPGA；VGA；I2C

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，大部分中高檔的信號處理和顯示設(shè)備都具有可視化數(shù)字信號接口（DVI口），DVI接口也必將成為今后顯示設(shè)備的主流接口。目前正處在VGA模擬信號向純數(shù)字顯示接口過渡時期，會有很多場合需要把模擬顯示器用的VGA信號送入數(shù)字系統(tǒng)中。市面上現(xiàn)在已經(jīng)有很多基于單片機(jī)控制實現(xiàn)的VGA-DVI轉(zhuǎn)換器的設(shè)計成品，考慮到在航天、軍事等一些特殊場合的應(yīng)用，本文提供了一種基于FPGA控制實現(xiàn)的VGA向DVI信號轉(zhuǎn)換的設(shè)計方案。首先，通過該方案可以將模擬的VGA信號（R、G、B、HS、VS）轉(zhuǎn)換為DVI視頻信號直接接入數(shù)字顯示器或者數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，達(dá)到視頻信號的模、數(shù)轉(zhuǎn)換；其次，在FPGA上實現(xiàn)了顯示轉(zhuǎn)換的初始化和控制，可以在嵌入式系統(tǒng)中直接加入該模塊，減少電路物理體積，可以很好的應(yīng)用于航天、軍事等一些特殊領(lǐng)域的設(shè)備。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)計中，VGA-DVI轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)使用了芯片ISL98003和芯片SII164。通過FPGA對上述芯片進(jìn)行控制來完成，轉(zhuǎn)換流程由以下幾個模塊和步驟組成，如圖1所示：

⑴用FPGA實現(xiàn)I2C總線模塊控制和初始化芯片ISL98003和芯片SII164，使芯片進(jìn)入正常工作狀態(tài)。初始化后的電路可以使用4+1按鍵對FPGA控制模塊進(jìn)行輸入控制，控制信號經(jīng)FPGA編碼通過I2C接口調(diào)整ISL98003的工作模式，從而改變對輸入視頻信號的色彩（包括亮度、對比度等參數(shù)）變換。

⑵芯片ISL98003接受VGA模式的模擬輸入R、G、B、HS、VS等信號，按照轉(zhuǎn)換設(shè)置進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換、色彩調(diào)整等工作后輸出R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、HS、VS、DE、PIXCLK等數(shù)字信號。

⑶SII164接收經(jīng)ISL98003轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)字信號，進(jìn)行色彩空間變換，將24b的像素數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成TMDS輸出。

⑷通過4+1按鍵對色彩轉(zhuǎn)換控制的具體操作經(jīng)過控制模塊調(diào)用LCD顯示接口同步顯示在LCD12864上面，實現(xiàn)可視化轉(zhuǎn)化操作。

1.1 ISL98003的使用

ISL98003是由Intersil公司生產(chǎn)的專用于視頻信號處理的具有3通道、8位模擬前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它具有165MSPS的解碼能力，最大轉(zhuǎn)換率支持UXGA（1600*1200@60Hz），像素時鐘輸出頻率范圍10Mhz-165Mhz。

在本設(shè)計中，ISL98003接受輸入的模擬R、G、B、HSYNC、VSYNC信號，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，按照I2C接口輸入的配置控制命令，生成行場同步信號（HSYNC、VSYNC）、數(shù)據(jù)是能（DE）、時鐘信號（DATACLK），完成模擬信號向完整的數(shù)字視頻信號的轉(zhuǎn)換。

1.2 SII164的使用

SII164采用PanalLink數(shù)字技術(shù)，支持顯示范圍為（VGA）25Mbps-（UXGA）165Mbps。可以工作在單像素模式或雙像素模式，對輸入視頻信號進(jìn)行色彩空間變換，完成數(shù)字視頻顯示信號的TMDS編碼。同時可以通過I2C總線進(jìn)行控制，支持熱插拔檢測。

在本設(shè)計中，SII164通過I2C接口接受FPGA控制模塊的初始化配置，然后接收經(jīng)過ISL98003數(shù)字化和色彩調(diào)整后的數(shù)字顯示信號，進(jìn)行色彩空間變換，完成TMDS編碼，輸出支持TMDS電氣特性的DVI顯示信號。

2 FPGA功能模塊設(shè)計

本文的設(shè)計重點(diǎn)是如何在FPGA上實現(xiàn)對芯片ISL98003和芯片SII164的初始化和控制。對芯片的初始化通過I2C接口直接進(jìn)行接通后的初始化，對色彩變換的控制通過4+1鍵盤進(jìn)行菜單選擇，通過I2C總線將命令寫入ISL98003的寄存器實現(xiàn)對ISL98003的控制，并同步將控制選項在LCD12864液晶上面顯示，實現(xiàn)可視化的色彩轉(zhuǎn)換控制。其中使用FPGA用純硬件方式實現(xiàn)I2C接口是設(shè)計的難點(diǎn)。

2.1 I2C接口的FPGA實現(xiàn)

I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，通過串行數(shù)據(jù)（SDA）線和串行時鐘 SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息。目前技術(shù)上都是通過軟件和硬件結(jié)合的方式實現(xiàn)I2C總線協(xié)議來達(dá)到串行總線通信的目的，本設(shè)計分析I2C總線協(xié)議時序，在FPGA上實現(xiàn)純硬件I2C總線接口，原理圖如下圖所示：

其中，雙口RAM模塊：根據(jù)讀寫使能信號（R＼W）存儲待發(fā)送或者已接受的數(shù)據(jù)；是I2C接口和內(nèi)部控制模塊之間的數(shù)據(jù)接口。

PLL模塊：將系統(tǒng)時鐘分頻后送入I2C時序邏輯，為SCL總線時鐘提供易于計算處理的始終參考。

Signal MUX and Converter模塊：在I2C總線時序邏輯控制模塊的管理下選擇啟動信號、終止信號、寫數(shù)據(jù)以及讀數(shù)據(jù)和SCL、SDA建立連接，處理內(nèi)部信號和SDA線的輸入輸出轉(zhuǎn)換。

I2C總線時序邏輯控制模塊：是I2C總線接口的核心，控制產(chǎn)生I2C工作的所有時序邏輯，對SCL和SDA總線通過Start_module、Stop_modul、Write_module、Read_module以及Signal MUX and Converter進(jìn)行控制，完成I2C總線的控制。

2.2 顯示控制的FPGA實現(xiàn)

顯示控制功能的作用在于可以通過按鍵控制來改變視頻轉(zhuǎn)換的模式，對視頻進(jìn)行轉(zhuǎn)換控制，并可以將控制模式的選擇同步顯示在128*64LCD液晶上，實現(xiàn)可視化的控制操作。具體功能模塊的實現(xiàn)見圖5所示：

按鍵接口：有消抖模塊封裝而成，用于檢測鍵盤的按下和釋放，進(jìn)行按鍵消抖后將平穩(wěn)信號傳送至控制模塊。

LCD12864顯示接口：選擇LCD12864的串行控制模式，對LCD12864進(jìn)行初始化，接受控制模塊輸出的顯示信息，顯示到LCD。

控制模塊：此控制模塊包含了所有接口的驅(qū)動模塊和設(shè)備的初始化信息以及模式選擇的菜單數(shù)據(jù)。在通過I2C接口完成對芯片ISL98003和芯片SII164的初始化之后將初始化后的工作狀態(tài)顯示到LCD，轉(zhuǎn)換器開始正常工作。若需要對視頻信號進(jìn)行色彩變換調(diào)節(jié)，通過按鍵進(jìn)行模式選擇，控制模塊將控制信息通過I2C接口寫到ISL98003的寄存器，配置完成后將模式選擇結(jié)果顯示在LCD，轉(zhuǎn)換器按照設(shè)置的模式進(jìn)行工作。

3 結(jié)語

本設(shè)計所選用的芯片ISL98003和芯片SII164都是目前比較主流的視頻信號轉(zhuǎn)換芯片，性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率出色。同時使用FPGA直接以純硬件方式實現(xiàn)I2C接口雖然在算法實現(xiàn)上比較復(fù)雜一點(diǎn)，但是在控制中由于電平直接基于硬件傳輸，有著速度快、性能穩(wěn)定、實時性好等特性。使用FPGA直接控制視頻轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行工作，可以使系統(tǒng)很大程度上更好的適用于軍事、航天等特定領(lǐng)域。由于控制模塊式基于FPGA的I2C接口完成，除了可以控制視頻顯示轉(zhuǎn)換芯片外，還可以添加其他支持I2C接口的設(shè)備，保證了系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)充性。

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[5]SII164 Datasheet.http：//www.siliconimage.com.

[6]ISL98003 Datasheet.http：//www.intersil.com.

作者簡介：張雄（1988-），男，漢族，甘肅省通渭縣人，蘭州交通大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：SOPC。