嵌入式机载视频输出接口设计

摘要：针对视频接口接收视频格式单一的问题，设计了一种多格式视频输入接口的视频编码模块。由于采用CH7024视频编码芯片，所以在接口即可接收RGB565和RGB666格式的视频信号。在Linux环境下，对芯片寄存器和视频格式进行配置，编译芯片驱动程序，通过超级终端下栽到芯片中，通过CH7024编码芯片将不同格式的输入信号统一转换成CVBS视频的信号输出，这样可减少电路的硬件设计，并通过对软件的修改来接收不同视频格式的信号。实验结果表明，设计的模块能够适应多种视频格式的信号，且编码后的CVBS视频信号输出距离远，抗干扰性强。
关键词：嵌入式Linux；视频编码；视频输出；驱动程序

0 引言
    在无人机视频采集系统中，对于视频信号的要求比较高，采集到的模拟视频信号在ARM9处理器中经过A／D转换，视频压缩编码后通过无线传输到地面基站，通过视频编码芯片将数字信号转换为模拟信号，输出到显示设备上。由于目前数字视频具有多种格式，然而，普通的视频编码模块的输入接口比较单一，不能很好地兼容多格式的视频输入信号，故输出的模拟信号抗干扰性和传输距离都不是太好。
    针对上述问题，本文提出了一种基于Freescale的MX27处理器，以Linux 2．6．19为内核操作系统的多格式视频输入编码模块设计方案。硬件方面，以CH7024为主芯片进行电路板设计；软件方面，在Linux环境下，根据芯片的特点，编写相应的驱动程序和寄存器配置。通过加载驱动程序，将不同格式的数字视频信号转换为CVBS复合视频信号，相比其他的模拟视频输出信号，CVBS复合视频信号将亮度、色度、同步和色彩脉冲信息整合到一根电缆内，具有传输距离远，抗干扰能力强等优点。

1 设计方案
1. 1 系统硬件结构
    硬件连接如图1所示，将MX27中LCD控制器输出的标准数字视频信号(包括像素数据LD[17：0]、像素时钟LSCLK，行同步信号LP／HSYNC、场同步信号pLM／VSYNC，数据使能信号ACD／OE)接入CH7024的数字输入接口。此外，将MX27中I2C控制器的SPC，SPD线直接与CH7024相应的信号线连接。

1．2 视频输出接口设计
    由于以前的芯片输入数据只有16位，接口兼容性不好，而选择的CH7024有24位视频数据信号线，可接收不同的数据格式，包括RGB和YC-rCb(如RGB565，RGB666，RGB888，像ITU656的YCrCb)，可接收24b／18b／15b／12b／8b等多路复用数字输入。为了能在系统运行出现故障时方便地进行复位，设计中添加了人工复位电路，这也是以前芯片所没有的。应用CH7024芯片设计的编码器，具有很好的兼容性和通用性，所以选择用CH7024主芯片进行设计。
    CH7024视频编码芯片的输入接口最多能接收到的视频信号位数为24位，输入格式为RGB888。这样RGB每个通道用8 b来表示，但是对于RGB 666和RGB565等格式的视频信号就涉及到每个通道用几位来表示某个颜色的问题。对于RGB666来说，每个通道用6b来表示；对于RGB565来说，R和B每通道用5 b表示，G通道用6 b表示。对于RGB666和RGB565格式的视频信号，在设计中芯片上的24位数据线分配情况如图2所示。通过对相关寄存器的配置，实现对不同格式视频信号的接收，使其具有较好的兼容性。该方案是以MX27处理器为平台进行设计的，MX27输出的视频信号为18位数据，这样MX27处理器发出的RGB666和RGB565格式的视频，都能通过该方案设计的编码器进行编码。

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2 视频编码器软件设计
2．1 I2C总线
    I2C总线是一种两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和器件引脚的数量，降低了互联成本。I2C总线可支持多主机控制，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主控端。
    I2C总线的串行总线由数据线SDA和时钟SCL构成，可用于发送和接收数据，并可在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送。在数据传送过程中共有3种信号，分别是开始信号、结束信号和应答信号。其中，开始信号是在SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据；结束信号是在SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据；应答信号是接收数据的IC在接收到8 b数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示己收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况判断是否继续传输信号。若未收到应答信号，则认为受控单元出现故障，如图3所示。

2．2 视频数据的传输
    在该设计中，视频数据经过MX27处理器后转换为RGB输送到LCDC中，通过CH7024输入接口接收数据，数据传输的方式如图4所示。当场同步信号(VSYNC)产生低电平时，说明新的一帧数据需要采集，这时采集到的是有效视频信号；当场同步信号再次产生低电平时，一帧数据采集完成，等待进入下一帧数据的采集。在场同步信号之间有n行数据，现以其中一行数据来分析，只要开始采集和采集完一行数据就会产生行同步信号(HSYNC)，当行同步信号产生低电平时，说明要采集的一行为有效数据，在等待中断采集；即当OE为下降沿时，开始采集一行数据；当OE变为上升沿时，一行数据采集完毕。图中给出的LINE[1：n]是说一帧图像有n行，每行有m个像素，也就说一帧图像的大小为n×m。

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2．3 寄存器配置
    在完成对CH7024的硬件电路设计后，需要在软件上对相应的寄存器进行配置，在CH7024．C驱动程序中将相应寄存器地址后面的值进行配置，如视频输入格式、输出格式、分辨率大小等。CH7024寄存器的初始化相关程序代码如下：

2．4 驱动程序编译加载
    由于应用环境是在Linux操作系统下，开发板中用的是Linux 2．6．19内核，在内核中并没有CH7024相关的驱动模块，这就需要把编写好的驱动程序加载到内核中，生成需要的模块形式，重新编译内核，下载到开发板上。
    向内核中添加TVOUT CH7024驱动的流程如下：
    (1)选择一个放置驱动代码的位置：drivers／video／mxc／把代码放到这个目录中。
    (2)在drivers／video／mxc／添加Kconfig文件，内容如下：
   

    (3)编写makefile，内容为：
   
    (4)修改上一级Makefile和Kconfig，即video目录下的Makefile和Kconfig，在Makefile中添加：
   
    (5)在arch/arm的Kconfig中添加：

    至此，修改完毕。此时可以使用make menuconfig。出现内核配置的窗口如图5所示。

    选择device drivers→graphics support可以看到，出现了TVOUT CH7024 driver support→选项，进入选择“M”，即将驱动程序编译成动态加载模块，然后通过“make modules”命令生成了CH7024．ko文件。将CH7024编码器的输入端连接到PC机，输出端连接到监视器上，上电后，将生成的模块文件由超级终端下载到开发板上，在终端中用insmod CH7024．ko加载驱动。CH7024．ko驱动加载时，会通过I2C读CH7024的寄存器信息，并打印它的ID号“Chip version ID(0x22)=0x22”，如果等式右边的值与左边括号里的值不等，则说明I2C有问题，或者没有加载其驱动，TVOUT则不能正常工作。在I2C正确的情况下，加载相关视频采集驱动程序，通过CCD摄像头采集到的视频就能在监视器上看到。

3 结果分析
    在实验中该方案能够通过摄像头采集视频数据，并能在监视器上实时看到采集的视频图像。由于输入接口设计成了接收不同格式的视频信号，使其能够接收多种格式的视频信号，编码器不用更改硬件，只需要在软件方面做相应的修改就能实现不同格式视频的接收。

4 结语
    通过对视频编码芯片的软硬件设计，使CH7024芯片能够接收多种格式的视频信号，由于CVBS信号传输距离远，抗干扰性强，将不同格式的视频信号转换成CVBS复合视频信号。随着技术的发展，处理器芯片的输出视频数据为24位，该设计的编码器也能应用，节省设计成本，缩短开发周期，具有一定的实用性。