人的視覺(jué)信息占所有獲得信息總量的70%以上，特別是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，人們所接觸的信息量也在不斷增加。所以，顯示技術(shù)的重要性越來(lái)越大。而視頻技術(shù)[1]也經(jīng)歷了由模擬視頻向數(shù)字視頻的發(fā)展，在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用越來(lái)越廣泛，例如電視電話會(huì)議、高清數(shù)字電視(HDTV)、移動(dòng)視頻及3G可視通信等。
    當(dāng)前，數(shù)字影像設(shè)備種類繁多，視音頻處理硬件與軟件技術(shù)高度發(fā)達(dá)[2]，為數(shù)字視頻的流行起到了推波助瀾的作用。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，圖像處理將成為信息技術(shù)的前沿領(lǐng)域和熱門課題。圖像處理技術(shù)的應(yīng)用取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其原因主要在于計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展與成熟，使得利用嵌入式系統(tǒng)作為視頻圖像的輸入輸出處理正逐漸成為主流，硬件解決方案也從專用處理芯片、DSP發(fā)展至FPGA，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性、小型化。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    利用單片機(jī)MSP430F169與解碼芯片ADV7183B的配置，使得整個(gè)視頻解碼系統(tǒng)可以靈活地根據(jù)輸入視頻源進(jìn)行相應(yīng)的配置以輸出不同的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。MSP430F169的最高運(yùn)算速度達(dá)到8 MIPS，具有易操作、低功耗等特點(diǎn)[3-4]，特別是其可通過(guò)I2C接口與解碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同格式視頻輸入源的解碼。而ADV7183B是一款綜合的視頻解碼芯片[5-6]，它能夠自動(dòng)將一種兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)NTSC或PAL的模擬視頻基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種兼容8 bit/16 bit CCIR656的YCrCb型4:2:2的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，其靈活的數(shù)字式輸出接口能夠在基于緩存器結(jié)構(gòu)和行鎖時(shí)鐘的系統(tǒng)中完成視頻解碼和轉(zhuǎn)換功能。視頻解碼系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。MSP430F169是主控芯片，針對(duì)不同的模擬視頻源，利用C語(yǔ)言編程，對(duì)解碼芯片ADV7183B的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置，產(chǎn)生符合要求的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)及行、場(chǎng)信號(hào)，以便于視頻后處理系統(tǒng)進(jìn)行濾波、顯示。

    數(shù)字視頻數(shù)據(jù)是把模擬視頻信號(hào)解碼為Y、U、V分量后，將其分別進(jìn)行A/D量化采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻流，時(shí)間上也按上面的順序依次輸出。這里，采用的是成立于1927年的國(guó)際無(wú)線電咨詢委員會(huì)CCIR656(Consultative Committee of International Radio)標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，也稱為ITU-R BT.656。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：Y、U、V 3個(gè)分量的抽樣頻率分別為13.5 MHz、6.75 MHz、6.75 MHz。采用線性量化，每個(gè)樣點(diǎn)的量化比特用于演播室為10 bit，用于傳輸則為8 bit。Y、U、V 3個(gè)分量樣點(diǎn)之間比例為4:2:2，數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

    圖2中，T為采樣時(shí)鐘37 ns(27 MHz)；SAV為有效視頻開始的定時(shí)基準(zhǔn)標(biāo)志碼；EAV為有效視頻結(jié)束的定時(shí)基準(zhǔn)標(biāo)志碼；每個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)由4個(gè)周期的數(shù)據(jù)組成，格式為FF，00，00，XY，以16進(jìn)制表示，前3個(gè)為固定的前綴，第4個(gè)字用來(lái)定義奇偶場(chǎng)、場(chǎng)消隱和行消隱信息。在消隱期間，傳輸80 H，10 H，80 H，10 H；在有效期間，按Cb，Y，Cr，Y，Cb，Y順序傳送。
2 ADV7183B的設(shè)置
    根據(jù)實(shí)際需要，這里采用了Analog Device公司的ADV7183B芯片作為系統(tǒng)的解碼芯片。它是一款綜合的視頻解碼芯片，能夠處理NTSC或PAL制式下的CVBS、S-Video、YPrPb 3種格式的輸入視頻源，從而廣泛地應(yīng)用于放映機(jī)、數(shù)字電視、DVD、游戲機(jī)等電子產(chǎn)品。ADV7183B的主要特點(diǎn)[9]如下：
    (1)內(nèi)部帶有行鎖定系統(tǒng)時(shí)鐘（LLC）和自適應(yīng)數(shù)字線長(zhǎng)跟蹤（ADLLT）電路，可以提供雙重視頻鎖定功能；
    (2)具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、信息輸出功能以及3行色度梳狀濾波器；
    (3)具有完整的AGC和箝位控制功能，可對(duì)色度、亮度、飽和度和對(duì)比度進(jìn)行編程視頻調(diào)節(jié)；
    (4)可自動(dòng)進(jìn)行NTSC或PAL檢測(cè)，且有12個(gè)模擬視頻輸入信道；
    (5)可設(shè)置為二線連續(xù)雙向端口模式，并與I2C兼容；
    (6)支持不同模式的視頻輸入和16 bit寬度總線數(shù)字輸出；
    (7)輸入峰峰值為0.5 V～2 V。
    通過(guò)不同的配置，ADV7183B的6個(gè)模擬視頻輸入信道可支持6個(gè)CVBS輸入信號(hào)、3個(gè)S-video輸入信號(hào)和2個(gè)YPrPb構(gòu)成的模擬視頻輸入信號(hào)，可由寄存器INSEL控制輸入源的類型和信道。此外，ADV7183B支持3種輸出接口模式：兼容LLC的同步像素接口、CAPI接口和SCAPI接口，默認(rèn)模式為兼容LLC的8 bit CCIR656數(shù)據(jù)。
    在電路設(shè)計(jì)時(shí)，ADV7183B的工作晶振為27 MHz，ALSB為地址片選端口，由于軟件程序的設(shè)計(jì)需要，將其接地，置為低電平。CVBS接入AIN5腳，S-Video接入AIN1和AIN4腳，YPrPb則接入AIN2、AIN3和AIN6腳；P0~P15為數(shù)據(jù)輸出端；LLC1、LLC2為時(shí)鐘輸出端口，當(dāng)為8 bit數(shù)據(jù)輸出時(shí)，LLC1為27 MHz，LLC2為13.5 MHz。而當(dāng)為16 bit數(shù)據(jù)輸出時(shí)，LLC1和LLC2均為13.5 MHz；HS為行同步信號(hào)輸出，VS為場(chǎng)同步信號(hào)輸出，F(xiàn)IELD為奇偶場(chǎng)信號(hào)輸出。當(dāng)系統(tǒng)通電后，板上的2個(gè)LED燈會(huì)交替閃爍10次，提示用戶可通過(guò)按鍵進(jìn)行輸入源信道的選擇操作：SW1鍵選擇S-Video視頻源輸入，SW2鍵選擇YPrPb視頻源輸入，若不操作則默認(rèn)CVBS視頻源輸入。
    由于MSP430F169和ADV7183B均有自帶的I2C模塊，利用I2C總線協(xié)議，系統(tǒng)通過(guò)中斷程序進(jìn)行解碼芯片的各種寄存器配置，從而產(chǎn)生YCrCb型4:2:2的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，軟件流程圖如圖3所示。

    首先，初始化時(shí)鐘和傳輸模式，使MSP430F169工作在所需的模式下；其次，初始化I²C功能，使其準(zhǔn)備將從機(jī)地址發(fā)送到I²C總線上，等待總線上的從機(jī)應(yīng)答，若無(wú)應(yīng)答則重復(fù)發(fā)送，若有應(yīng)答則通信初始化并開中斷，發(fā)送所需配置的寄存器地址和數(shù)據(jù)[10-11]。需要注意的是，在每次發(fā)送數(shù)據(jù)前都要初始化主機(jī)模式和傳輸模式的設(shè)置，因?yàn)槊看伟l(fā)送完數(shù)據(jù)后，這兩個(gè)標(biāo)志位都會(huì)被自動(dòng)清零。
    為了使ADV7183B正常工作，幾個(gè)主要寄存器的配置內(nèi)容如下：
    (1)輸入選擇寄存器INSEL，地址為0x00。根據(jù)外部接口情況，用戶可通過(guò)設(shè)置這個(gè)寄存器選擇模擬視頻源的輸入通道和輸入模式，即選擇通過(guò)CVBS、S-Video或YPrPb輸入。在該系統(tǒng)中，CVBS信號(hào)由AIN5輸入，則寄存器內(nèi)容設(shè)置為0x04；S-Video信號(hào)的Y接入AIN1，C接入AIN4，則寄存器內(nèi)容設(shè)置為0x06；YPrPb信號(hào)的Y接入AIN2，Pb接入AIN3，Pr接入AIN6，則寄存器內(nèi)容設(shè)置為0x0A。同時(shí)，未連接的其他輸入通道管腳必須接地。
    (2)輸出模式選擇寄存器OF_SEL，地址0x03。通過(guò)設(shè)置此寄存器，用戶可控制輸出數(shù)據(jù)為8 bit或16 bit。不過(guò)，此寄存器必須和像素時(shí)鐘寄存器（LLC_PAD_SEL，地址0x8F)一起設(shè)置。當(dāng)輸出16 bit數(shù)據(jù)時(shí)，像素時(shí)鐘為13.5 MHz；而當(dāng)輸出8 bit數(shù)據(jù)時(shí)，像素時(shí)鐘則為27 MHz(默認(rèn)設(shè)置)。所以程序中，8 bit輸出時(shí)，0x03設(shè)置為0x0C，0x8F設(shè)置為0x00；16 bit輸出時(shí)，0x03設(shè)置為0x00，0x8F設(shè)置為0x50。
    (3)ADC低功耗控制寄存器，地址0x3A。這個(gè)寄存器可以選擇ADC的工作個(gè)數(shù)。在CVBS模式下，ADC1和ADC2低功耗，即不工作；在S-Video模式下，ADC2低功耗；而在YPbPr模式下，3個(gè)ADC全部工作。同時(shí)，還需要配置相應(yīng)的寄存器地址是0xC3和0xC4，這2個(gè)寄存器設(shè)置了3個(gè)ADC所連接到的管腳。根據(jù)外部的模擬輸入源，CVBS模式時(shí)，ADC0連接AIN5，則0xC3設(shè)置為0x05，0xC4設(shè)置為0x80；S-Video模式時(shí)，ADC0連接AIN1，ADC1連接AIN4，則0xC3設(shè)置為0x41，0xC4設(shè)置為0x80；YPrPb模式時(shí)，ADC0連接AIN2，ADC1連接AIN3，ADC2連接AIN6，則0xC3設(shè)置為0x32，0xC4設(shè)置為0x86。
    (4)行、場(chǎng)同步信號(hào)的相關(guān)寄存器，一般采用默認(rèn)設(shè)置即可。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，采用了一個(gè)彩色數(shù)字?jǐn)z像頭作為視頻輸入源，即輸入CVBS格式的模擬視頻信號(hào)，通過(guò)邏輯分析儀捕獲輸出管腳的波形，觀測(cè)相應(yīng)的信號(hào)和輸出數(shù)據(jù)。通過(guò)不斷修改程序，最終實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集、顯示。圖4是通過(guò)MSP430F169設(shè)置ADV7183B的輸出模式選擇寄存器的波形?？梢?jiàn)，時(shí)序滿足標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線協(xié)議的傳輸時(shí)序：起始—從器件地址(0x40)—應(yīng)答—從器件的寄存器地址（0x03）—應(yīng)答—寫數(shù)據(jù)（0x0C）—應(yīng)答—結(jié)束。圖5和圖6是解碼后的視頻數(shù)據(jù)。在圖5中，根據(jù)固定前綴FF 00 00 F1可知，F(xiàn)1（1111 0001）所包含的信息是表示行由0跳變?yōu)?，場(chǎng)由0跳變?yōu)?，傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入的是行和場(chǎng)的消隱期。而圖6中，由固定前綴FF 00 00 80可知，80（1000 0000）所包含的信息是表示行由1跳變?yōu)?，場(chǎng)由1跳變?yōu)?，傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)入的是行和場(chǎng)的有效期。由此表明，視頻解碼系統(tǒng)輸出的視頻數(shù)據(jù)符合CCIR656標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

    綜上所述，本視頻解碼系統(tǒng)利用MSP430F169進(jìn)行解碼芯片ADV7183B的設(shè)置，具有低功耗、小巧靈活等特點(diǎn)。同時(shí)，作為視頻輸入前端，將彩色攝像頭的模擬視頻源轉(zhuǎn)換成16 bit的YCrCb型4:2:2數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、濾波等處理后，通過(guò)DVI接口在CRT上清晰顯示，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)橄鄳?yīng)的視頻后處理設(shè)備（如DSP、FPGA等）提供良好的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。