機載多路DVI視頻信號轉換器設計

宮海波，徐 茜，張長茂

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

機載多路DVI視頻信號轉換器設計

宮海波，徐 茜，張長茂

(中國飛行試驗研究院，西安 710089)

為了實現基于高速航電總線的多路DVI視頻信號的采集及實時檢測，提出了機載多路DVI視頻信號轉換器的設計方案；針對高速航電總線多路DVI視頻信號速率高、實時性強的特點，完成了信號均衡、信號預加重及高速信號全交叉設計，采用單片機完成對轉輪開關的采集、消抖和判斷，通過配置相應寄存器完成測試DVI口的通道切換功能；實驗結果表明，該機載多路DVI視頻信號轉換器穩定性好、可靠性高、實時性強，解決了高速航電總線多路DVI視頻信號的檢測難題，滿足設計需求。

千兆以太網；飛行試驗；DVI視頻；轉換器

0 引言

隨著計算機技術的迅速發展，尤其是視頻傳輸技術的不斷更新，視頻格式已從最初的復合模擬視頻發展到VGA視頻，再發展到目前視頻顯示主流技術的DVI數字視頻[1]，DVI數字視頻具有高分辨率、高刷新率以及高穩定性等特點，在日常生活中已經獲得了廣泛的應用[2]。隨著視頻數據量的不斷增大，在傳輸距離遠、對圖像質量和抗干擾能力要求較高的應用領域，為了提高視頻傳輸質量，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在視頻領域獲得了極大的關注[3-5]，目前人們對以太網的數據傳輸率要求不斷提高，現有以太網的10 MbPs和100 MbPs數據傳輸速率己不能滿足應用要求，千兆網絡及配套設備正逐步投入應用[6]。

為了完成高速總線視頻信號采集、信號處理及圖像顯示，在視頻傳輸的基礎上必須完成視頻信號轉換[7]，目前常見的視頻信號轉換主要涉及AV信號轉換成HDMI信號、S-Video信號轉換成VGA信號、AV信號轉換成VGA信號以及DVI信號轉換成VGA信號等形式[8-10]。本設計在視頻傳輸系統研究的基礎上，實現了新型千兆網絡多路DVI視頻信號轉換器設計，完成了多路DVI視頻信號的采集記錄及實時檢測。

1 系統功能概述

在機載千兆網絡環境下實現5路DVI視頻信號的轉換功能，每路DVI視頻信號分別轉換輸出為2路DVI電信號，其中一路輸出用于機載測試記錄器進行記錄，另一路輸出地面檢查使用,通過面板開關進行“5選1”視頻畫面檢查。

機載多路DVI視頻信號轉換器主要接收機載千兆網絡5路DVI視頻信號，并將接收到的DVI視頻信號轉換為DVI視頻電信號進行輸出。同時具有1個測試DVI接口，可通過外部開關選擇具體5路輸入DVI信號的任意一路輸出。在轉換過程中不對輸入的視頻源信號進行任何軟件處理，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。當輸入端無信號輸入時，輸出端無信號輸出、顯示器黑屏。視頻信號轉換的功能框圖如圖1所示。

圖1 視頻信號轉換功能框圖

2 轉換器總體方案設計

機載多路DVI視頻信號轉換器硬件電路主要包括電源轉換模塊、信號轉換模塊、DVI信號均衡模塊、高速信號全交叉模塊、DVI信號預加重模塊、DVI接口靜電防護模塊、開關信號消抖模塊等，轉換器的內部功能框圖如圖2所示。

圖4 視頻信號轉換模塊電路圖

電源模塊主要是將外部輸入電源經過轉換后，為轉換器內部元器件提供所需的電源,轉換模塊主要是將接收到機載千兆網絡的DVI信號轉換為DVI電信號，經過轉換后的DVI電信號，先經過均衡電路后再進行交叉選擇，以提高DVI信號質量,通過外部轉輪開關來觸發外部單片機工作，控制全交叉芯片內部寄存器值按轉輪開關位置進行刷新，實現全交叉芯片內部切換鏈路的動作，進而實現對5路DVI信號的監控，為防止測試接口上的視頻信號誤切換，外部開關信號輸入以后首先進行消抖處理，本方案消抖部分由單片機軟件來實現。

圖2 轉換器功能框圖

3 硬件設計

3.1 電源轉換模塊電路設計

電源模塊主要是將外部輸入電源經過轉換后，為轉換器內部元器件提供所需的電源。系統采用28 V電源供電，為保證產品供電的可靠性和系統的電磁兼容性能，產品內部供電部分采用直流濾波器加DC-DC電源模塊的方式，系統電源先經過直流濾波器后再進行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一個肖特基二極管，可以有效防止電源反接，同時在電源模塊輸入端并聯一個瞬態抑制二極管，可有效抑制輸入電源浪涌以及瞬時電壓過大。

電源轉換芯片用于將輸入的5 V電源轉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壓器，寬輸入電壓范圍：4～14 V，輸出電壓0.6～5.5 V可調，它可提供每通道4 A電流的四通道DC/DC穩壓源，且內部集成開關控制器、功率FET、電感器等，使外部配置電路相對簡單，且同時具有過壓、過流和過熱保護功能。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置輸出電壓。系統供電的基本拓撲結構如圖3所示。

圖3 系統供電拓撲結構圖

3.2 視頻信號轉換模塊設計

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

視頻信號轉換模塊主要由電源模塊、電信號接口模塊、介質轉換芯片、輸出接口模塊等部分組成。視頻總線信號數據經過電信號接口模塊后傳輸到介質轉換芯片，介質轉換電路接收數據后首先進行數據解析，然后對數據格式進行重新定義，之后數據傳輸到輸出模塊，完成視頻數據總線信號到視頻數據電信號的轉換，由電信號接口模塊將數據傳遞到傳輸鏈路中，最終實現收發兩端數據的處理及傳輸。

3.3 電信號輸入均衡電路設計

機載測試抽引鏈路在實施工程中需要滿足一定的線纜鋪設要求，視頻信號尤其是高頻高速率視頻信號經過線纜傳輸后會有傳輸損耗，因此在設計了電信號輸入均衡電路設計。均衡電路可以對信號傳輸通道的低通濾波特性進行校正處理，對于信號的輸入接口端，為達到遠距離傳輸，采用均衡技術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個最小化傳輸差分信號(TMDS)數據通道和一個時鐘通道，每個數據通道的速率可達2.25 Gbps，滿足測試系統的指標要求。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個管腳可根據圖5中左表更改上下拉電阻來調節均衡增益。均衡增益在825 Mbps數據傳輸時為9 dB，實際1 280×1 024@60 Hz分辨率下，數據傳輸為1 Gbps，此數據下均衡增益小于9 dB，輸入端接入18 m電纜進行傳輸的情況下可清晰傳輸1 280×1 024@60Hz的信號。本方案中充分考慮信號衰減因素，而且產品內部印制板走線較短， BST管腳設置000狀態，此時有9 dB均衡增益，可滿足系統傳輸要求。

3.4 高速信號全交叉電路設計

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行分路，方案設計之初考慮到采集視頻信號速率高且視頻信號路數多，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發等功能，為了減少系統處理過程中的延遲等因素，滿足視頻信號的高速處理需求，視頻信號分路及轉發的功能實現采用純硬件的實現思路，本方案采用MindSeepd公司高速差分全交叉芯片，該芯片可以實現48×48對差分信號的全交叉選擇，速率范圍10 Mbps～11.88 Gbps。通過對芯片內部寄存器的配置，不僅可以實現1對多分路、多對1選擇，可以實現輸出接口映射到任意輸入接口。芯片內部將每4對高速差分信號劃分為1個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。

高速全交叉芯片內部首先對輸入的5路DVI視頻信號進行分路，其中1路直接輸出，另一路進入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現對輸出視頻信號的選擇控制。通過外部轉輪開關來觸發外部單片機工作，控制全交叉芯片內部寄存器值按轉輪開關位置進行刷新，實現全交叉芯片內部切換鏈路的動作，進而實現對5路DVI信號的監控，高速全交叉芯片內部功能框圖如圖6所示。

圖6 高速全交叉芯片內部功能框圖

3.5 DVI信號預加重電路設計

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先有意予以增強，來補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，對發送信號進行預加重處理，其處理數據的速度可達2.25 Gbps，遠超過1280×1024@60 Hz的數據速率1.48 Gbps。因此將芯片加至DVI輸出接口位置，可以對輸出端DVI信號進行預加重，將DVI信號的傳輸距離延長至10 m，可滿足機載環境下的視頻信號的傳輸等鏈路需求，提高信號采集處理的整體效果，DVI信號預加重電路如圖7所示。

圖7 DVI預加重電路設計

3.6 信號消抖設計

為防止測試接口上的視頻信號誤切換，外部開關信號輸入以后首先進行消抖處理，本方案消抖部分由單片機來實現。當開關信號狀態持續保持大于50 ms為有效信號，小于50 ms為抖動信號。開關信號通過過采樣的方式獲得，采樣時鐘為2.048 MHz。數據采樣之后通過邊沿檢測來判斷數據是否發生跳變。當檢測到數據跳變之后，通過計數來判斷數據是否持續50 ms。若持續超過50 ms則輸出跳變后的狀態。否則不輸出，即保持跳變前的狀態。

4 軟件設計

由于系統中測試口可以通過外部轉輪開關實現對5路視頻信號的測試，本方案采用單片機完成對轉輪開關的采集、消抖和判斷，并根據目前轉輪開關的位置，配置相應的寄存器，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 單片機軟件流程圖

首先對全交叉芯片進行初始化。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。分別配置相應的輸入和輸出通道，實現輸入通道和輸出通道的交叉連接功能。面板上為轉輪開關，引入MCU的IO端口，通過IO口采集讀取開關狀態，并對開關信號進行消抖處理。通過判斷轉輪開關的位置，完成通道切換的軟件配置，使輸出相應通道的DVI視頻數據。

5 試驗結果與分析

針對機載多路DVI視頻信號轉換器進行實驗室聯試及裝機試驗，試驗測試原理圖如圖9所示。

圖9 轉換器測試原理圖

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視頻電信號進行測試，通過面板開關進行五選一的視頻畫面切換檢查，同時對輸出的五路視頻畫面進行記錄后數據分析。結果顯示，輸出的視頻圖像質量與輸入保持一致，分辨率及幀頻沒有改變，視頻信號經轉換后滿足無偏色、抖動和拖尾現象，當輸入視頻信號異常中斷后又恢復正常，設備能夠立即自動掃描、捕獲、鎖定信號，并重新輸出視頻信號，轉換器系統及功能滿足設計需求。

6 結束語

本文提出了一種機載多路DVI視頻信號轉換器的設計方案，詳細闡述了轉換器的硬件及配套軟件設計，針對數據速率高、實時性強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時檢測，滿足視頻信號千兆網絡架構的應用，該套視頻轉換器系統的設計也為其他網絡化應用設計提供了參考價值，該套機載多路DVI視頻信號轉換器已成功應用于飛行試驗過程中，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，主要從事機載測試技術方向的研究。

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

TB

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