基于 AD9883A 与 SIL164 的 VGADVI 转换器设计.doc

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1、精品论文大集合基于 AD9883A 与 SIL164 的 VGA/DVI 转换器设计王慧明，何小刚 太原理工大学自动化系，太原（030024） E-mail：hm摘要:本文介绍一种 VGA/DVI 视频信号转换电路及原理，及 DVI 的特点，重点阐述 ADI 公司的图形接口芯片 AD9883A 与 Silicon Image 公司的 DVI 信号发送芯片 SIL164 的工作原理 和特性，单片机的功能作用，及硬件软件设计要点. DVI 接口是近年来随着数字化显示设 备的发展而发展起来的一种数字显示接口，由于它比传统 VGA 接口有着许多优点和先 进性，因此采用 DVI 接口的显示设备的图像质量

2、要更好，而现在仍有许多主机和设备 带有 VGA 接口而没有 DVI 接口，所以设计这样的一种转换器有着重要意义。另外此设 计具有体积小，功耗低，较高的实用性和后续研究价值。 关键词:VGA/DVI，差分信号，数字信号，AD9883A，SIL164中图分类号：TP301.引 言VGA 接口是显卡上应用最为广泛的接口类型，多数的显卡都带有此种接口， DVI 接 口是近年来随着数字化显示设备的发展而发展起来的一种显示接口，DVI 接口的显示 设备的图像质量要更好。DVI（Digital Visual Interface）接口，即数字视频接口。它是 1999 年由 DDWG（Digital Displ

3、ay Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。DVI 接口是以 Silicon Image 公司的 PanelLink 接口技术为基础，基于 TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS 是一 种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递，TMDS 运用先进的编码算法 把 8bit 数据(R、G、B 中的每路基色信号)通过最小转换编码为 10bit 数据(包含行场同步信息、时钟信息、数据 DE、纠错等)，经过 DC 平衡后，采用差分信号传输数据，它和 LVD

4、S、 TTL 相比有较好的电磁兼容性能，可以用低成本的专用电缆实现长距离、高质量的数字信 号传输。目前 DVI 接口分为两种：一个是 DVI-I 接口，可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟信号并不意味着模拟 信号的接口 D-Sub 接口可以连接在 DVI-I 接口上，而是必须通过一个转换接头才能使 用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。另外一种则是 DVI-D 接口，只能接收数字信号，接口上只有 3 排 8 列共 24 个针 脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号。本设计就是采用这种接口。DVI 接口的优点1）速度快DVI 传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直

5、接被传送到显 示设备上，因此减少了数字模拟数字繁琐的转换过程，大大节省了时间，因此它 的速度更快，有效消除拖影现象，而且使用 DVI 进行数据传输，信号没有衰减，色彩 更纯净，更逼真。2）画面清晰- 6 -计算机内部传输的是二进制的数字信号，使用 VGA 接口连接液晶显示器的话就需要先把信号通过显卡中的 D/A（数字/模拟）转换器转变为 R、G、B 三原色信号和行、 场同步信号，这些信号通过模拟信号线传输到液晶内部还需要相应的 A/D（模拟/数字） 转换器将模拟信号再一次转变成数字信号才能在液晶上显示出图像来。在上述的 D/A、 A/D 转换和信号传输过程中不可避免会出现信号的损失和受到干扰，

6、导致图像出现失 真甚至显示错误，而 DVI 接口无需进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰 度和细节表现力都得到了大大提高。另外 DVI 接口实现了真正的即插即用和热插拔，是目前使用非常广泛的数字视频接 口，既可以适应于高/标清数字电视显示、也可以用于普通的电脑监视器显示，很多液晶显 示器都采用该接口，而现在仍有许多主机和设备带有 VGA 接口而没有 DVI 接口，因 此设计一种 VGA/DVI 转换器有着重要意义。2.硬件设计2.1AD9883A 介绍AD9883A 是为个人电脑和工作站的 RGB 图像信号采集而设计的接口芯片，广泛应用于 各类高清 CRT、平板电视、微显背投和投影仪等

7、系统。AD9883A 的工作原理框图如图 1 所 示AD9883A 特性1:zAD9883A 内部包含具有 300MHz 输入带宽的 8 位 140MSPS ADC、PLL 和可编程的 增益、复位、嵌位控制，用户只需要提供 3.3V 的电源、模拟输入、Hsync 和 COAST 信号。140MSPS 的采样转换率最高支持 12801024（75Hz 刷新）分辨率的信号。zAD9883A 包含所需的输入缓冲器，信号直流恢复（采样）、复位、增益（亮度和对 比度）调整、像素时钟发生器、采样相位控制和输出数据格式化，所有的控制都可 以由双线制串行总线控制。由于电路设计更简洁，芯片受物理和电子环境的影响

8、很 小。其典型功率为 500mW，使用温度范围为 070。zAD9883A 所有的数字输入为 3.3V CMOS 电平，但 5V 的输入电平也不会对芯片造成 任何损坏。zAD9883A 有红、绿和蓝三个高阻抗模拟输入脚，它们的有效信号电平为 0.51.0VP-P。zAD9883A 有一个双线串行接口，它包括一个时钟（SCL）和一个双向数据（SDA） 引脚，使用外部控制器通过双线串行接口实现对控制寄存器的读写操作，从而完成 对 ADC 的控制设定。图 1 AD9883A 内部功能框图2.2SIL164 介绍SIL164 是由 Silicon Image 公司设计的用于实现 DVI 信号合成和发送

9、，其内部功能框图 如图 2 所示图 2 SIL164 内部功能框图SIL164 特性2：SIL164 采用 PaneILink 数字技术设计，支持从 VGA 到 UXGA（64048016001200） 的清晰度显示范围，数据速率范围为 25165Mbps，具有 12bit（半像素时钟沿）和 24bit（真彩色支持）两种设计模式，灵活的输入时钟：单时钟单边缘（24 位），单时钟双边缘（12-/24- 位） ，双时钟单边缘（12 位），同时支持 I2C 总线控制，具有热插拔特性，完 全兼容 DVI1.0 规范。2.3转换器电路设计系统由三大部分组成,即 VGA 信号的采集和转换,DVI 信号的合

10、成和发送,系统的初始 化与控制,其中由 AD9883A 负责 VGA 信号的采集和转换, SIL164 负责 DVI 信号的合成和 发送,单片机 P89C668 负责系统的初始化与控制.。系统各部分之间通过 I2C 总线互连， 各部分的 I2C 地址都由硬件固化，互不冲突，进行命令和状态信息传送。电路结构框 图如图 3 所示.VGA 信号DEAD9883ARGB Pixel dataClockHSYNCDVISIL164接口I2CVSYNI2CHotPlugMSENSignal单片机 P89C668图 3 电路结构框图当系统上电或复位后,由单片机通过 I2C 总线初始化 AD9883A 和 S

11、IL164。然后 AD9883A 采集 RGB 三路模拟视频信号，通过内部 A/D 转化成 24 位的 RGB 数字视频像素信号，输入 到 SIL164，同时 AD9883A 内部的 PLL 根据输入的 Hsync，生成像素时钟，并且使行同步信 号，像素数据，像素时钟的关系正确的维持。生成的这些数字视频信号送入到 SIL164 内的 数字捕获逻辑块，然后被 PanelLink 数字核按照 TMDS 协议编码成三路 TMDS 差分数据 和差分时钟，进入 DVI 接口。硬件电路设计中需要注意：(1) AD9883A 在 PCB 上的位置应尽量接近实际输入，较长的输入线路长度会引入噪声 从 PCB

12、板或别的外部源，信号必须通过适配电阻连到芯片，适配电阻尽量靠近芯 片，否则会引起信号反射，对图像信号造成破坏。(2) 让锁相环环路滤波器元件，尽可能接近滤波引脚，不要将任何数字或其他高频布线 靠近这些组件，使其工作效果更好。(3) SIL164 的每个电源引脚应安排解耦和旁路电容来降低噪声。(4) 不要分开或不对称布线差分信号对，如果差分信号线对布线不对等，过孔容易引起 电感，造成相位延迟的问题，过孔应尽量减少或避免，通过把差分线对布在 PCB的最上层。3.软件设计3.1I2C 总线协议I2C总线只要求两条总线线路，一条串行数据线SDA 一条串行时钟线SCL，是一种简单、 双向二线同步串行总线

13、，它是一个真正的多主机总线，如果两个或更多主机同时初始化数据 传输可以通过冲突检测和仲裁，防止数据被破坏。设备间通过总线传送信息时，SDA 线上 的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，SDA线的高或低电平状态只有在SCL 线的时钟 信号是低电平时才能改变3。P89C668有标准的I2C总线结构，具有主发送、主接收、从发送、从接收4种工作方 式。无论在那种工作方式下，数据传送过程都是在启动I2C总线后，由不断出现的状态 码产生I2C中断，跳转到中断服务程序中进行相应的处理。I2C总线程序负责I2C总线初 始化与启动I2C总线、I2C中断服务程序中的状态处理、以及状态服务程序。3.2系统软件设计系

14、统软件程序主要由 P89C668 通过 I2C 总线向 AD9883A 和 SIL164 发送初始化，命 令控制，状态接收。软件程序流程图如 4 所示。开始延时 20msP89C668 初始化检测有显示 器连接否Y正常工作初始化 AD9883A初始化 SIL164N发送命令给 AD9883A 和SIL164，进入节电模式图 4 软件程序流程通过 AD9883A 的 01H 和 02H 寄存器进行 PLL 设置： 实际运行的分频率=PLLDIV+1；当寄存器的地址为 03H 时，Bit7、6 设置 VCO 的范围；Bit5、4、3 设置驱动低通滤波 器的不同电流，即充电脉冲电流，可以提高噪声性能

15、；15H 寄存器配置输出数据模式，此外 还有一些寄存器用来进行行场同步脉冲宽度和极性的设置和检测，输入 RGB 的增益和相位 的调整等。对 SIL164 的设置务必与 AD9883A 的工作状态相一致协调。程序初始化完 SIL164，检 测是否有显示器连上，当有显示器连上时，通过 SIL164 的 HTPLG 引脚送到内部的接收检 测逻辑单元，并生成一个中断信号通过 MSEN 引脚送给单片机，使系统进入正常视频信号转 换模式，相反，如果没有显示器连上，则单片机通过发送命令使系统进入节电模式，并且不 停地检测显示器的连接状态。4.结语本文给出了一种 VGA 转 DVI 接口的视频信号传输解决方案

16、，具有体积小，功耗低特点， VGA 接口的设备和 DVI 接口的显示器能够通过它连接起来，具有一定的应用价值。另外，在 本电路基础上，用其它芯片替换 SIL164 或增加芯片还可以进行更深入更广的开发研究，如 摄像机，投影仪，图像处理等。参考文献.1 Analog Devices Inc. AD9883AData Sheet, 20032 Silicon Image Inc. SiI164PanelLink Transmitter Data Sheet,20053 何立民. I2C 总线应用系统设计M. 北京：北京航空航天大学出版社，1995Design of VGA / DVI conver

17、ter based on AD9883A andSIL164Wang Huiming，He XiaogangDepartment of Automation，Taiyuan University of Technology, Taiyuan, PRC(030024)AbstractThis paper describes a VGA / DVI video signal conversion circuit and the principle , DVI features,focuses on working principle and characteristics of ADIs grap

18、hics interface chip AD9883A and Silicon Images chip SIL164 of sending DVI signal，the single-chip function，hardware and software design elements. In recent years，DVI is a digital display interface with the digital display device developed, ithas many advantages and advanced nature than traditional VG

19、A interface, the use of the DVI interface displays the image quality to be better, and there are still a number of host and device with a VGA port and no DVI interface, the design of such a converter is of great significance. In addition this design has a small, low-power, high practicality and value of the follow-up study.Keywords: VGA / DVI; differential signal; digital signal; AD9883A; SIL164作者简介： 王慧明，男，1983年生，硕士研究生，研究方向为智能控制与检测技术； 何小刚，男，1959 年生，副教授，硕士生导师，研究方向为智能控制与检测技术。