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摘 要：介绍一种在HDTV测试信号发生器中使用的CX25870型数字全制式彩色电视编码器，说明其性能、特点、具体连接和编程方法。
关键词：I2C 总线；单片机；可编程逻辑器件（FPGA）；编码器；高清晰度电视
目前，全国广播电视行业中正在全面进行大范围的模拟电视向数字电视、高清晰度电视、交互式电视的转换工作，多种类型的高清晰度电视机也在生产上市，生产线上使用的通用仪器HDTV测试信号发生器也将产生较大的需求。 HDTV测试信号发生器融合了微电子技术、计算机技术、通信技术、现代测试技术、新型元器件应用技术，并迅速向数字化、智能化方向发展。我们所研制的HDTV测试信号发生器就是利用高端可编程器件、高清数字彩色电视编码器CX25870和单片机等构成。本信号发生器共包含六种制式，其中有HDTV制式；SDTV制式；PAL和NTSC制式以及DVI信号格式（640*480@60Hz 800*600@60Hz）。本信号发生器共包含十种测试信号：彩条信号、单色光栅、中心十字、方格、黑底白点、灰度阶梯、扫频信号、窗 信 号、电 子 圆和锯齿波信号。四种信号输出格式：YPrPb输出；RGB输出；HDMI输出和CVBS输出。
整个系统以Conexant公司生产的大规模专用高清数字视频编码芯片CX25870为核心，先由单片机通过I2C总线对高清数字彩色电视编码器CX25870进行初始化和片内寄存器的设置，再用图形控制器作为数字电视信号的发送端和整体结构的控制端，以使之工作在不同的状态。系统结构如图1所示。
通过用VHDL语言对FPGA编程来生成图形控制器，使其输出信号为24比特4：4：4 RGB信号或4：4：4 YCrCb信号，附加一些控制信号。这些信号分别送入相应的器件。有效的图像信号经过CX25870编码后输出RGB模拟视频信号、YPrPb视频信号或复合视频信号。此外，还有一路经过接口电路产生的HDMI数字电视信号和一路模拟电路产生的锯齿波电视信号。
1 高清数字彩色电视编码器CX25870
CX25870是由科胜讯公司出品的一款大规模集成电路编码芯片，应用在有TV输出端子的个人或便携式电脑、高清晰度电视、DVD播放器、显示卡、游戏控制台（游戏机）、电视机顶盒等多类产品中，是专业图像处理中的首选IC。
1.1 主要特点
CX25870内部集成了输入数字信号锁存器、GAMMA校正、彩色空间转换器、内部电压参考、过抽样器、D/A转换器、定时系统及I2C接口电路等，支持多种视频格式、分辨率和帧速率。可用于对输入的HDTV数字信号、NTSC/PAL 24 bit RGB信号、16 bit RGB信号、24 bit YCrCb信号及16 bit YCrCb信号进行一系列处理，以输出模拟CVBS信号、S—Video信号、3路模拟RGB和YPbPr高清晰电视（HDTV）信号。并支持世界上所有的标准定义输出。
CX25870芯片为PQFP封装，共80脚。其中除模拟/数字电视信号输入输出引脚外还包括一些控制类引脚以及VAA、GND等等。其内部功能结构如图2所示。
1.2 串行接口及复位
CX25870芯片包含一个2线的读写串行接口，通过这个串行接口可以配置芯片的寄存器。这个接口被设计在3.3 V电压下工作。CX25870芯片有上电后重启，管脚重启，定时重启这三种复位方式。上电重启方式是在上电过程中产生的，管脚重启方式是使芯片的RESET* 管脚保持一个低电压，软件重启方式是通过设置标志位SRESET来工作的。能初始化全部串行口的寄存器使其回到单片机里有默认的连接端口。
1.3 器件初始化
最简单的设置初始化的方式就是使用自动配置模式（Auto Configuration Modes），并简单配置几个合适的接口标志位。在重新设置之后，器件必须通过串行接口的设置来启动视频输出功能，而且要进一步设定CLKO，HSYNC，VSYNC和FIELD的输出。
1.4 时钟和定时器
定时发生器控制着编码器的所有工作。使其产生合适的视频（NTSC，PAL，HDTV，SECAM模式下的）编码。编码定时产生器能够接受外来的时钟信号，包括了外部晶体振荡器产生时钟和内部的PLL产生的时钟，或者从CLKI的输入管脚输入的时钟。
1.5 主动，伪主动，从动接口
CX25870/871编码器可以工作在三种不同的接口模式下分别为主动，伪主动，从动接口工作模式。主器件时钟的可用性和在两个器件（主器件和图形控制器）之间定时信号（HSYNC，VSYNC，BLANK）的方向在不同的接口模式下是不同的。在主动接口模式下CLKO，HSYNC，VSYNC和BLANK都是编码器本身作为输出产生的。在从动模式下，编码器不产生任何的输出时钟信号和定时信号。编码器严格依靠图形控制器送来的时钟信号和定时信号来触发一个新的时钟，新的行，新的场，新的帧。
1.6 彩条和蓝屏的产生
CX25870/871有内部的彩条生成器，寄存器H_BLANKO的值决定彩条起始点，H_AVCTIVEO的值决定彩条宽度。有八个彩条被显示，其色彩和信号幅度是由内部产生的。CX25870/871还提供了一个蓝屏的输出信号，通过设置寄存器EBLUE来定。这时一切输入将被忽略。
2 相关的程序设计
2.1 单片机的程序设计
本系统采用由Microchip 公司出品的PIC16F872 型单片机，此单片机自带I2C串行接口，以I2C总线方式实现对CX25870芯片的控制，上电后，单片机自动复位，对数字编码芯片CX25870 采用软件复位的方式，由单片机的输出端口向CX25870 的RESET*管脚发出复位信号，然后将相应的数据写入到CX25870 的片内相关寄存器，将CX25870 配置成为PAL/NTSC/HDTV 制式输出模式，并且由图形控制发生器FPGA作为数字信号输入源，CX25870接收图形控制发生器FPGA 产生的数字图像信号，最终输出所需 制式的电视信号和所需测试信号的种类。 CX25870 必须能够跟着图形控制器发出的数字信号随时更新寄存器，所以从图形控制器引出一个端脚给单片机，让单片机不断地监测其状态，随其状态的变化而更新CX25870 的内部寄存器配置，以顺利实现PAL/NTSC/HDTV 制式的转换。该部分的程序设计是对CX25870 最复杂的操作，其中包括多个寄存器的配置，主要配置的寄存器包括：SLAVER、IN_MODE、EN_BLANKO、EN_DOT、EN_OUT、FLD_MODE、AUTOCONFIG 等，其他的相关寄存器必须根据输入的数字信号（包括图像信号、行同步、场同步、消隐信号以及外部时钟信号）和实际调测而进行更改。
其I2C串行接口控制的程序流程图如图3所示。
2.2 图形控制器的编程
图形控制器是整个系统的主要部分之一，因为它不但是有效象素信号产生的最初器件，也是所有控制功能实现的唯一部分。图形控制器要能输出符合CX25870的从动模式下的有效信号（24比特有效象素信号），可以是RGB或者是YCrCb模式的两种信号。还要求图形控制器能输出行同步，场同步和消隐信号，并且要求这三路信号之间保持有相当高的同步性。所有输出信号在送给CX25870的同时能在各种各样的切换模式下保持很高的同步性。图形控制器用VHDL语言编程FPGA来实现，VHDL是一种全方位的硬件描述语言，几乎覆盖了以往各种语句描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。
系统部件分为时钟部分、计数器部分、控制部分、同步和消隐产生的部分、有效图像生成部分。其中时钟部分根据输出的制式选择不同的时钟，PAL/NTSC选择27 MHz时钟，HDTV选择74.25 MHz时钟。计数器部分是整个图形控制器的核心部件。控制部分看似就是包含两部分：一部分是控制各种制式的转换，一部分是控制十种电视输出信号。但是实际上在转换的过程中涉及到一个所有同步都要复位的问题。同步和消隐产生的部分在保持良好同步性的前提下只要计数器重复的计数就能达到行同步和场同步的循环输出，而消隐信号的起始点需经调测才能找到合适的位置。有效图像生成部分的几种输出制式和十种测试信号模式是通过两个控制按键来控制的，所以有一个切换的顺序问题和有效象素的起始点的问题。其流程图如图4所示。
2.3 高清电视信号的产生
根据我国高清电视信号的标准，用VHDL语言对FPGA进行编程，FPGA完成图像信号的发生功能，使它产生满足CX25870在输出模式为HDTV时所需要的行同步、场同步、时钟、复合消隐和24bit的RGB或YCrCb信号。
具体编程计数参数如表1所示。
利用晶振提供的时钟，用分频器进行分频，用行场计数器来产生相应的行场信号。输出的信号要考虑CX25870的要求，FPGA除了提供24 bits—nonmultiplexed RGB/YCrCb信号外，还提供了CLK、HSYNC*、VSYNC*、BLANK*这些信号，以便25870能够准确判断行场的开始，准确的处理RGB/YCrCb信号。CX25870能自动添加行同步所需的三电平同步信号和开槽脉冲这些信号，最后输出符合要求的HDTV信号。
RGB输出模式下的部分输出信号波形：
3 结束语
在HDTV测试信号发生器中使用了CX25870型数字全制式彩色电视编码器，经测试，输出波形的幅度和带宽及各项指标均符合要求，输出制式和输出的信号种类可任意切换，并已经用在HDTV电视机生产线上作为测试仪器使用。
作者简介
丁玉珍，北京邮电大学信通院高级工程师，研究生导师，长期从事数字电视科研工作。
关键词：I2C 总线；单片机；可编程逻辑器件（FPGA）；编码器；高清晰度电视
目前，全国广播电视行业中正在全面进行大范围的模拟电视向数字电视、高清晰度电视、交互式电视的转换工作，多种类型的高清晰度电视机也在生产上市，生产线上使用的通用仪器HDTV测试信号发生器也将产生较大的需求。 HDTV测试信号发生器融合了微电子技术、计算机技术、通信技术、现代测试技术、新型元器件应用技术，并迅速向数字化、智能化方向发展。我们所研制的HDTV测试信号发生器就是利用高端可编程器件、高清数字彩色电视编码器CX25870和单片机等构成。本信号发生器共包含六种制式，其中有HDTV制式；SDTV制式；PAL和NTSC制式以及DVI信号格式（640*480@60Hz 800*600@60Hz）。本信号发生器共包含十种测试信号：彩条信号、单色光栅、中心十字、方格、黑底白点、灰度阶梯、扫频信号、窗 信 号、电 子 圆和锯齿波信号。四种信号输出格式：YPrPb输出；RGB输出；HDMI输出和CVBS输出。
整个系统以Conexant公司生产的大规模专用高清数字视频编码芯片CX25870为核心，先由单片机通过I2C总线对高清数字彩色电视编码器CX25870进行初始化和片内寄存器的设置，再用图形控制器作为数字电视信号的发送端和整体结构的控制端，以使之工作在不同的状态。系统结构如图1所示。
通过用VHDL语言对FPGA编程来生成图形控制器，使其输出信号为24比特4：4：4 RGB信号或4：4：4 YCrCb信号，附加一些控制信号。这些信号分别送入相应的器件。有效的图像信号经过CX25870编码后输出RGB模拟视频信号、YPrPb视频信号或复合视频信号。此外，还有一路经过接口电路产生的HDMI数字电视信号和一路模拟电路产生的锯齿波电视信号。
1 高清数字彩色电视编码器CX25870
CX25870是由科胜讯公司出品的一款大规模集成电路编码芯片，应用在有TV输出端子的个人或便携式电脑、高清晰度电视、DVD播放器、显示卡、游戏控制台（游戏机）、电视机顶盒等多类产品中，是专业图像处理中的首选IC。
1.1 主要特点
CX25870内部集成了输入数字信号锁存器、GAMMA校正、彩色空间转换器、内部电压参考、过抽样器、D/A转换器、定时系统及I2C接口电路等，支持多种视频格式、分辨率和帧速率。可用于对输入的HDTV数字信号、NTSC/PAL 24 bit RGB信号、16 bit RGB信号、24 bit YCrCb信号及16 bit YCrCb信号进行一系列处理，以输出模拟CVBS信号、S—Video信号、3路模拟RGB和YPbPr高清晰电视（HDTV）信号。并支持世界上所有的标准定义输出。
CX25870芯片为PQFP封装，共80脚。其中除模拟/数字电视信号输入输出引脚外还包括一些控制类引脚以及VAA、GND等等。其内部功能结构如图2所示。
1.2 串行接口及复位
CX25870芯片包含一个2线的读写串行接口，通过这个串行接口可以配置芯片的寄存器。这个接口被设计在3.3 V电压下工作。CX25870芯片有上电后重启，管脚重启，定时重启这三种复位方式。上电重启方式是在上电过程中产生的，管脚重启方式是使芯片的RESET* 管脚保持一个低电压，软件重启方式是通过设置标志位SRESET来工作的。能初始化全部串行口的寄存器使其回到单片机里有默认的连接端口。
1.3 器件初始化
最简单的设置初始化的方式就是使用自动配置模式（Auto Configuration Modes），并简单配置几个合适的接口标志位。在重新设置之后，器件必须通过串行接口的设置来启动视频输出功能，而且要进一步设定CLKO，HSYNC，VSYNC和FIELD的输出。
1.4 时钟和定时器
定时发生器控制着编码器的所有工作。使其产生合适的视频（NTSC，PAL，HDTV，SECAM模式下的）编码。编码定时产生器能够接受外来的时钟信号，包括了外部晶体振荡器产生时钟和内部的PLL产生的时钟，或者从CLKI的输入管脚输入的时钟。
1.5 主动，伪主动，从动接口
CX25870/871编码器可以工作在三种不同的接口模式下分别为主动，伪主动，从动接口工作模式。主器件时钟的可用性和在两个器件（主器件和图形控制器）之间定时信号（HSYNC，VSYNC，BLANK）的方向在不同的接口模式下是不同的。在主动接口模式下CLKO，HSYNC，VSYNC和BLANK都是编码器本身作为输出产生的。在从动模式下，编码器不产生任何的输出时钟信号和定时信号。编码器严格依靠图形控制器送来的时钟信号和定时信号来触发一个新的时钟，新的行，新的场，新的帧。
1.6 彩条和蓝屏的产生
CX25870/871有内部的彩条生成器，寄存器H_BLANKO的值决定彩条起始点，H_AVCTIVEO的值决定彩条宽度。有八个彩条被显示，其色彩和信号幅度是由内部产生的。CX25870/871还提供了一个蓝屏的输出信号，通过设置寄存器EBLUE来定。这时一切输入将被忽略。
2 相关的程序设计
2.1 单片机的程序设计
本系统采用由Microchip 公司出品的PIC16F872 型单片机，此单片机自带I2C串行接口，以I2C总线方式实现对CX25870芯片的控制，上电后，单片机自动复位，对数字编码芯片CX25870 采用软件复位的方式，由单片机的输出端口向CX25870 的RESET*管脚发出复位信号，然后将相应的数据写入到CX25870 的片内相关寄存器，将CX25870 配置成为PAL/NTSC/HDTV 制式输出模式，并且由图形控制发生器FPGA作为数字信号输入源，CX25870接收图形控制发生器FPGA 产生的数字图像信号，最终输出所需 制式的电视信号和所需测试信号的种类。 CX25870 必须能够跟着图形控制器发出的数字信号随时更新寄存器，所以从图形控制器引出一个端脚给单片机，让单片机不断地监测其状态，随其状态的变化而更新CX25870 的内部寄存器配置，以顺利实现PAL/NTSC/HDTV 制式的转换。该部分的程序设计是对CX25870 最复杂的操作，其中包括多个寄存器的配置，主要配置的寄存器包括：SLAVER、IN_MODE、EN_BLANKO、EN_DOT、EN_OUT、FLD_MODE、AUTOCONFIG 等，其他的相关寄存器必须根据输入的数字信号（包括图像信号、行同步、场同步、消隐信号以及外部时钟信号）和实际调测而进行更改。
其I2C串行接口控制的程序流程图如图3所示。
2.2 图形控制器的编程
图形控制器是整个系统的主要部分之一，因为它不但是有效象素信号产生的最初器件，也是所有控制功能实现的唯一部分。图形控制器要能输出符合CX25870的从动模式下的有效信号（24比特有效象素信号），可以是RGB或者是YCrCb模式的两种信号。还要求图形控制器能输出行同步，场同步和消隐信号，并且要求这三路信号之间保持有相当高的同步性。所有输出信号在送给CX25870的同时能在各种各样的切换模式下保持很高的同步性。图形控制器用VHDL语言编程FPGA来实现，VHDL是一种全方位的硬件描述语言，几乎覆盖了以往各种语句描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成。
系统部件分为时钟部分、计数器部分、控制部分、同步和消隐产生的部分、有效图像生成部分。其中时钟部分根据输出的制式选择不同的时钟，PAL/NTSC选择27 MHz时钟，HDTV选择74.25 MHz时钟。计数器部分是整个图形控制器的核心部件。控制部分看似就是包含两部分：一部分是控制各种制式的转换，一部分是控制十种电视输出信号。但是实际上在转换的过程中涉及到一个所有同步都要复位的问题。同步和消隐产生的部分在保持良好同步性的前提下只要计数器重复的计数就能达到行同步和场同步的循环输出，而消隐信号的起始点需经调测才能找到合适的位置。有效图像生成部分的几种输出制式和十种测试信号模式是通过两个控制按键来控制的，所以有一个切换的顺序问题和有效象素的起始点的问题。其流程图如图4所示。
2.3 高清电视信号的产生
根据我国高清电视信号的标准，用VHDL语言对FPGA进行编程，FPGA完成图像信号的发生功能，使它产生满足CX25870在输出模式为HDTV时所需要的行同步、场同步、时钟、复合消隐和24bit的RGB或YCrCb信号。
具体编程计数参数如表1所示。
利用晶振提供的时钟，用分频器进行分频，用行场计数器来产生相应的行场信号。输出的信号要考虑CX25870的要求，FPGA除了提供24 bits—nonmultiplexed RGB/YCrCb信号外，还提供了CLK、HSYNC*、VSYNC*、BLANK*这些信号，以便25870能够准确判断行场的开始，准确的处理RGB/YCrCb信号。CX25870能自动添加行同步所需的三电平同步信号和开槽脉冲这些信号，最后输出符合要求的HDTV信号。
RGB输出模式下的部分输出信号波形：
3 结束语
在HDTV测试信号发生器中使用了CX25870型数字全制式彩色电视编码器，经测试，输出波形的幅度和带宽及各项指标均符合要求，输出制式和输出的信号种类可任意切换，并已经用在HDTV电视机生产线上作为测试仪器使用。
作者简介
丁玉珍，北京邮电大学信通院高级工程师，研究生导师，长期从事数字电视科研工作。