（电路与系统专业论文）视频转换系统中关键模块的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 视频转换系统中关键模块的设计与实现 电路与系统 铁艳 余宁梅教授 摘要 签名： 金主蜮 计算机显示器以其高分辨率和高清晰度的图像，给人们留下了深刻的印象。相对而言， 电视图像则逊色的多。而在军事、工业和医学等领域中，又大量的存在着使用电视图像的 设备。他们迫切希望能在高清晰度的计算机显示器上显示图像，以满足对图像质量的高要 求。而且在很多的工作业余期间，也希望可以通过显示器来接收电视信号。基于c r t ( 阴 极射线管) 的电视机和计算机监视器具有相同的工作原理和相似的外形，但电视信号( t v ) 与计算机监视器的( v g a ) 信号之间存在着很大的差别，使得这两种显示设备无法通用。 因此为满足上述的要求，需要将电视信号转换成能在显示器上显示的信号。 本文设计了一种基于f p g a 的视频转换控制器。由于电视信号是一个复合制信号，它 包括亮度信号、色度信号、以及同步信号。而显示器上显示的信号是亮度、色度二同步信 号分离的信号，两种显示设备的工作方式存在着差别，因此从t v 信号到v g a 信号的视频 转换需要完成解码和倍频两部分处理。在本文中详细的对系统进行了分析，在此基础上完 成了以下几部分工作。首先采用s a a 7 1 1 0 专用芯片完成对视频信号的解码处理；其次对于 在转换过程中存在的噪声，采用混合滤波器进行滤波处理；接着对信号的传输方式进行转 换。 在本课题的设计过程中，电路使用v e r i l o g 硬件描述语言进行描述，在m o d e l s i m 中 进行前仿真，并通过q u a r t u si i 进行综合，最后利用a l t e r a 公司的f p g a 开发板对电路 进行了验证，文中给出了主要模块的仿真结果。从结果上可以看出，各个模块的设计符合 要求，并且在对结果进行分析的基础上得出，各模块电路的设计是正确无误的。 关键字：1 2 c 总线；混合滤波；去隔行：f p g a t i t l e ：t h ed e s l g na n dl m p l e m e n to fd i f f e r e n tm o d u l e sl n v i d e os i g n a lc o n v e r ts y s t e m m a j o r ：c i r c u i t s & s y s t e m s n a m e ：y a nt i e s u p e r v i s o r ：p r o f n i n g m e iy u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：堂堂均墼 t h ec o m p u t e rd i s p l a yl e a v e su sad e e pi m p r e s s i o nw i t hi t sp i c t u r e i th a sh i g hd i s t i n g u i s h r a t ea n di tl o o k sv e r yc l e a rw h i l et h ep i c t u r eo ft e l e v i s i o ni sn o ta sg o o da si t t h e r ea r em a n y d e v i c e su s e di nt h em i l i t a r y , i n d u s t r y , a n dm e d i c a la r e a s a l lo ft h e mr e c e i v et h et e l e v i s i o n p i c t u r e s i no r d e rt om a k et h ep i c t u r el o o km o r ec l e a r l y , t h e yh o p et od i s p l a yt h es i g n a li nt h e c o m p u t e ra l lt h et i m e m o r e o v e r , i nt h ee n t e r t a i n m e n tt i m e ，w ea l s oh o p et or e c e i v et h e t e l e v i s i o ns i g n a l sw i t ht h ec o m p u t e r t h et e l e v i s i o nw h i c hb a s e so nt h ec r th a y t h es a m e f i g u r ew i t ht h ec o m p u t e rd i s p l a y , a n dt h e yh a v et h es a m ew o r k i n gp r i n c i p l e b u tt h es i g n a l w h i c hr e c e i v e sb yt h e ma r em u c hm o r ed i f f e r e n t 1 fw ew a n tt od i s p l a yt h es i g n a li ne a c ho t h e r , w en e e dt oc o n v e r tt h e m t h i sa r t i c l ed e s i g n sav i d e os i g n a lc o n v e r td e v i c ew h i c hi sb a s e do nt h ef p g a t h e t e l e v i s i o ns i g n a li sac o m p l e xo n e i ti n c l u d e sl u m i n a n c es i g n a l ，c h r o m as i g n a l ，a n dt h e s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l b u tt h es i g n a lw h i c hd i s p l a y si nt h ec o m p u t e ri sas e p a r a t eo n e t h e r e a r em u c hd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m s ow en e e dt w os t e p st oc o n v e r tt h et e l e v i s i o ns i g n a lt ot h e c o m p u t e r s t h e ya r ed e c o d e rp a r t a n dt h ed o u b l ef r e q u e n c yp a r t t h i sa r t i c l ep a r t i c u l a r l y a n a l y z e st h es y s t e ma n da c c o m p l i s hs e v e r a lp a r t so fw o r k f i r s t l y , c o m p l e t et h ed e c o d i n go ft h e v i d e os i g n a lu s i n gt h ea p p l i c a t i o ns p e c i a lc h i ps a a 7 1 1 0 a n dt h e n ，r e d u c et h en o i s ew i t ht h e f i l t e r f i n a l l y , c o n v e r tt h es i g n a l st r a n s m i s s i o nw a y d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，t h ec i r c u i ti sd e s c r i b e db y t h ev e r i l o gh a r dd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ， m a k et h ef r o n t - e m l u a t o rw i t ht h et o o l so fm o d e l s i m ，s y n t h e s i z ew i t ht h eq u a r t u si i ，a n d 血e n v a l i d a t et h ec i r c u i tb yt h ef p g aw h i c hb e l o n g st ot h ec o m p a n yo fa l t e r a i nt h i sa r t i c l e ，t h e r e a r ee m u l a t o rr e s u l t so ft h em o s tm o d u l e s f r o mt h er e s u l t ，w ec a ns e et h a tt h ed e s i g no fe a c h m o d u l e sc o n t e n tt h er e q u i r e m e n t ，a n di ti sc o r r e c t k e yw o r d s ：1 2 c - - b u s ；m i x e d - - f i l t e r ；d e - i n t e r l a c i n g ；f i e l dp r o g r a m m i n gg a t ea r r a y 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 丝耋色。7 年3 月夕日 学位论文使用授权声明 本人搬挂) 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：拯幽导师签名：塞3 拯口7 年3 月j 。日 1 绪论 1 绪论 数字视频技术是近年来信息技术领域中飞速发展的一门学科，它将电视技术，计算机 技术和通信技术结合在一起。而在不同的技术领域中又有不同的视频格式标准，如在计算 机行业中有标准的显示分辨率，在电视行业中有数字化演播室标准，而在通信行业已经建 立了标准的网络协议。数字视频通信的出现使得上述三个行业更日趋紧密。在上述各个行 业中，电视机一直是消费类电子产品中最重要、发展最快和最引人注目的产品。从模拟时 代到数字时代，从黑白、彩色到图文电视，从标准电视到高清电视，电视机经历了一代又 一代革新。而伴随着信息高速公路以及国际互联网的飞速发展，广播电视在不同的时期不 同的领域出现了多种格式。这些多样化的格式为我们提出了一个新课题：即在不同的应用 和产品之间交换数字视频那就是视频结构转换。 本章主要介绍论文的研究背景、意义及论文的主要内容。 1 1 引言 1 1 1 研究背景 随着超大规模集成电路、计算机和通信技术的迅速发展和结合，电视机的功能和视觉 效果也在经历一场革命性的飞跃。从模拟技术到数字处理，从单一的电视播放到多媒体家 庭影院，从小尺寸、大体积到超薄、超大的平面显示，从低分辨率到高清晰度画面等各个 方面，都体现了技术的进步和人们对高质量电视日益增长的需求。尽管数字梳状滤波器、 亮度和色度动态增强电路等数字新技术的出现，在一定程度上提高了电视机的图象质量和 性能，但是图像的彩色爬行、画面闪烁和图像快速运动时产生的边缘模糊及锯齿现象并未 从根本上得到改善。 相对于电视图像而言，计算机显示器以其高分辨率和高清晰度的图像，给人们留下了 深刻的印象。在军事，工业和医学等领域中，大量的存在使用电视图像的设备。他们迫切 希望能在高清晰度的计算机显示器上显示图像，以满足对图像质量的高要求。而且在很多 的工作业余期间，也希望可以通过显示器来接收电视信号。这就使得电视信号及计算机显 示器信号之间的转换技术得到发展。 虽然高清晰度电视的性能正在不断提高，普及速度正在加快，但是模拟电视并不会马 上消失，未来若干年内将是由模拟电视向数字电视转换的过渡期。由于我国各地区经济发 展水平不一致，在经济相对落后的地区这个过渡期可能还会比较长。而电视机之所以存在 上述缺陷，原因是模拟电视体制的隔行扫描方式。现行三大主要模拟彩色电视系统p a l 、 n t s c 、s e c a m 均采用这种扫描方式，这种缺陷经大尺寸屏幕放大后就更加明显。因此在目 前无法大范围更换节目制播，以及使用高清晰电视的情况下，要改善画面的质量，将电视 西安理工大学硕士学位论文 信号在显示器上进行显示，都需要用到隔行逐行转换技术。 目前，为了解决隔行逐行转换技术的问题，人们已经研究了很多算法并将其应用于 产品中。其中最简单的是线性方法，直到上世纪7 0 年代末，这一直是应用于电视产品的 普遍方法。从8 0 年代早期开始，有些学者提出了比线性方法性能更好的非线性方法。接 着，针对场景中运动物体的运动补偿算法被提了出来，但是这种算法要做到实时性需要占 用大量高速的硬件资源。 由于当前市场的l c d p d p 显示屏的电视接收机仍然主要接收传统的复合模拟电视信 号。这些模拟信号要经过a d 转换转为数字信号，然后在数字电视中进行各种亮度及色度 的处理，最后才在数字电视屏幕上显示。而在图像采集、a d 转换等过程中，就会引入大 量的噪声，损失视频信息。所以降噪滤波处理对提高电视画面质量的影响是至关重要的。 由此各种视频处理算法被大量的应用于电视系统的接收端，通过噪声滤波等视频处理算 法，提高图像的主观清晰度。 1 1 2 主要内容 基于c r t ( c a t h o d er a yt u b e ，阴极射线管) 的电视机和计算机监视器具有相同的工 作原理和相似的外形，但电视信号( t v ) 与计算机监视器的v g a ( v i d e og r a p h i ca r r a y ， 即显示绘图阵列) 信号之间存在着很大的差别，使得这两种显示设备无法通用“一3 1 。因此 为满足上述要求，需要将电视信号转换成能在显示器上显示的信号。 目前标准视频制式t v v g a 之间的视频转换系统大多以单片机为控制核心的。由于单 片机处理时特有的指令周期，以及外围i 0 引脚较少的特点使其不能灵活配置，导致这类 系统的转换速度较慢，功能比较单一，图象质量不太高等。而现场可编程逻辑器件( f p g a ， f i e l dp r o g r a m m i n gg a t ea r r a y ) 能够较好的弥补单片机的这些缺陷 4 - - s 。f p g a 的出现是 v l s i ( 超大规模集成电路) 技术和e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，电子设计自动 化) 技术发展的结果。f p g a 器件集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的 功能。它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验， 达到预期的结果。使用f p g a 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入。同时采 用f p g a 器件可以将原来的电路板级产品集成芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠 性，同时还可以很方便的对设计进行在线修改。因此文中设计基于f p g a 为控制核心，通 过1 2 c ( i n t e ri c ) 总线接口对外围电路芯片灵活配置。实现多种制式视频信号之间的实 时、高质量的视频图像转换。 本课题设计了一个基于f p g a 为控制核心的视频转换系统，经过对系统的分析研究， 主要完成了以下三部分的工作： 通过1 2 c 总线对外围芯片进行初始化。用硬件描述语言模拟器件之间的数据传输， 完成总线部分的电路实现。并针对该芯片工作时对外围电路的要求，绘制p c b 板图，并 制作相应的p c b 板，同时对该板子进行测试分析。 1 绪论 对传输来的信号进行滤波处理。选取合适的算法对信号进行处理，完成该算法的电 路设计，并在f p g a 开发板上对电路进行验证。 对信号的传输方式进行转换。选取合适的去隔行算法，并和以往的算法进行分析比 较，完成算法的m a t l a b 仿真，并实现算法的电路设计。 在后面的章节中，分别对这些部分的概念、原理进行了具体的介绍，对电路设计进行 了分析，并对仿真验证的结果进行了比较。 1 2 论文结构 论文主要分为以下几章进行介绍； 第一章绪论。 介绍课题的研究背景和研究意义，并对论文的结构进行介绍。 第二章系统介绍。 对系统进行分析，介绍本课题的主要研究内容，以及使用的仿真工具等。 第三章1 2 c 总线实现器件初始化。 介绍1 2 c 总线概念、协议等，以及实现对器件初始化的具体内容。 第四章滤波模块。 介绍滤波算法的原理，以及算法硬件实现的具体内容，并对仿真结果进行分 析。 第五章去隔行模块。 详细介绍了去隔行算法的原理、电路设计方法、以及电路实现等内容。 第六章结论。 对主要工作进行总结。 2 系统介绍 2 系统介绍 本章主要对系统、外围芯片及使用的工具做一介绍。 2 1 系统概述 基于c r t ( 阴极射线管) 的电视机和计算机监视器具有相同的工作原理和相似的外形， 但电视信号( t v ) 与计算机监视器的v g a 信号之间存在很大差别，使得两种显示设备无法 通用。由于电视信号是一个复合制信号，它包括亮度信号、色度信号、以及同步信号。而 显示器上显示的信号是亮度、色度、同步信号分离的信号1 6 - - 9 1 两种显示设备的工作方式 存在着差别，因此从t v 到v g a 的视频转换需要完成解码和倍频两部分 1 0 - - 1 2 | 0 由于我们无法直接对一个复合制信号进行处理，所以首先对电视信号进行分离，也就 是将电视信号这个复合制的信号转换成亮度、色度、同步信号分离的信号，这就是所谓的 解码处理。系统中采用p h i l i p s 的专用芯片s a a 7 1 1 0 进行解码。由该芯片的特性了解到， 这个芯片不能进行自启动，必须通过外部总线对其进行控制。所以第一部分工作是，通过 1 2 c 总线完成对芯片的控制。 在电视信号的采集、解码、转换的过程中出现了大量的噪声，这些噪声的出现严重影 响了人们的视觉效果，甚至妨碍了人们的正常识别。因此需要对图像信号进行滤波处理， 消除噪声，从而提高视频信号的质量。 进行处理后的电视信号和v g a 信号在传输方式上仍然存在着差别。电视信号是采用隔 行传输的方式，而v g a 信号是采用逐行传输的方式。这两种传输方式存在着本质的差别， 所以要将电视信号显示到显示器上，还需要对图像的传输方式进行改变，也就是对图像进 行去隔行处理。 具体的系统框图如下所示： 西安理工大学硕士学位论文 s i g n a l去隔行 s a a 7 1 1 0滤波模块 模块 1 7 ， 一 一。 t - i n h 罅 【i 厶u n ： ：；岣 ， 图2 1 系统方框图 f i g u r e2 1t h ed i a g r a m o f s y s t e m 如上图2 - - 1 所示，图中粗黑线框住的3 个模块为本课题所作的主要内容。 2 2 外围芯片s , e 姨7 1 1 0 简介 图像 本系统中的外围电路采用p h i l i p s 公司的s a a 7 1 1 0 视频芯片“”“1 进行解码及模数转 换工作，它的主要功能及特点如下： s a a t l l 0 是一种可编程前端视频解码器，它可以将输入的视频信号转换为y u v 数字信 号。下面简单介绍s a a 7 1 1 0 的主要特点、结构原理和引脚图。 2 2 1 主要特点 s 从7 1 l o 的主要特点如下： 具有6 路模拟输入( 4 x c v b s ( c o m p o s i t ev i d e ob r o a d c a s ts i g n a l ) 、3 y c 或 二者相结合) ； 带有3 路模拟处理通道： 内置3 路抗混叠滤波器； 可将2 路通道模拟信号相加； 内含2 路8 位c m o s 视频a d ( a n a l o g u et od i g i t a lc o n v e r t e r ) 转换器； 对所选择的c v b s y 通道可编程为静态增益控制或自动增益控制； 可进行白峰控制： 可对p a l ( p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e ) 、f f r s c ( n a t i o m lt e l e v i s i o ns y s t e m sc ( m m i t t e e ) 、 s b c a m ( s e 删i e lc o u l e u ram e m o i r e ) 制式进行亮度和色度处理； 可全程h u e 控制； 可自动进行5 0 6 0 h z 场频检测以及标准p a l 和n t s c 、强制s e c a m 之间的自动转换； 5 2 系统介绍 对所有制式可实现行、场同步检测； 对于p a l 制式可用u v 信号延迟线来校正色度信号的相差； y u v 总线支持以下数据率： 一7 8 0xf h = 1 2 2 7 2 7 姗i z ，6 0 h z ( n 1 _ s c ) ： - 9 4 4 xf h = 1 4 7 5 乜，5 0 h z ( 硎山，s 】觋f l 1 ) ： 数据输出格式有y u v4 ：1 ：1 ( 8b i t ) 和l u v4 ：2 ：2 ( 8b i t ) 两种； 用户可编程进行亮度峰值孔径修正； 所有制式可用同一频率电路晶振( 2 6 8 m ) ； 可对y 1 j v 总线进行亮度、对比度、饱和度( b c s ) 控制； 输出引脚有一个用户可编程通用转换开关； 在片可进行时钟产生电路( e g o 和外部c g c ( s 从7 1 9 7 ) 之间的转换； 带有可控制的1 2 c 总线； 2 2 2 结构原理及引脚图 a 结构原理 s 从7 1 1 0 的功能框图如图2 2 所示。 西安理工大学硕士学位论文 图2 2s 从7 1 1 0 功能方框图 f i g u r e2 2t h ef u n c t i o nd i a g r a mo fs a a 7 1 1 0 下面分别对方框图中的各个模块进行介绍。 ( 1 ) 模拟输入处理 s a 7 1 1 0 有6 路模拟信号输入，6 个模拟主通道有箝位电路、模拟放大器、抗混叠滤波 器、视频c m o sa d 转换器组成。另一路模拟通道也含有箝位电路、模拟放大器、抗混叠 滤波器，且能被加到或在a d 转换前直接转换到两个主通道上。 ( 2 ) 模拟控制电路 箝位控制电路控制着模拟输入信号的正确箝位。高频耦合电容器用于存储和过滤箝位 电压。对于亮度信号或c v b s 信号，通常的数字箝位标准是6 4 ，而色度信号则是1 2 8 。增 益控制电路通过总线产生3 路模拟放大器的静态增益标准，也可以通过内置的自动增益控 制( a g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n t r 0 1 ) ) 电路控制其中的一路。a g c 的作用是将c v b s 或y 信号放大到所需的信号幅值，以使之与a d c ( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) 输入电压 范围相同。抗混叠滤波器要适合于时钟频率。垂直消隐控制电路用于产生总线可编程垂直 消隐脉冲。在垂直消隐期间，增益和箝位控制无效。 ( 3 ) 亮度电路 8 位亮度信号( 数字c v b s 格式或亮度格式( s v h s 、h i s ) ) 通过可变换的前置滤波器 来馈送。高频分量的增强可以弥补损耗。色度陷波器( f c = 4 4 3 m h z 或3 5 8 m h z ，中心频率 可选) 可消除大多数色彩载波信号，因此，s - v i d e o ( s v h s ，h 1 8 ) 信号必须正常通过。 亮度信号的高频分量能够在两个具有可选传输性质的带通滤波器中得到增强( 通过1 2 c 总 线控制锐度增加) 。并能在可选的核心电路中再一次增强信号，然后将该信号加入原始( 未 提升) 信号中。增强的亮度信号通过可变延迟馈送到b c s 控制和输出接口。 ( 4 ) 色度电路 8 位数字色度信号经过输入接口后可通过色度带通滤波器来减少直流分量，然后送到 正交解调器的乘法输入端。在来自局部振荡器d t 0 1 ( 离散时间振荡器) 的2 个副载波信 号中，副载波信号的相位偏移为9 0 。，频率则由当前所输入视频信号的色彩制式所决定。 对于所有p a l 和n t s c 信号，乘法器可作为正交解调器来使用；而对于s e c a m 信号，乘法 器则作为降频混频器来使用。两个乘法输出信号转换为连续的u v 数据流后，可用于2 个 低通滤波器级，然后再加到增益可控放大器。最后的一个多路复用低通滤波器将与前级一 起用来设置所需的带宽。p a l 和n t s c 原始信号流入梳状滤波器。s e c a m 原始信号则通过钟 形滤波器( 中心频率为o h z ) 、相位解调器和微分器来馈送以获得频率解调的色差信号。 将s e c a m 信号去加重后馈送到交叉转换中，可产生连续传输的色差信号。这些信号送到 b c s ( 亮度、对比度、饱和度) 处理后，它们将最终到达输出格式级和输出接口。图2 3 所示是色度电路的工作过程图。 2 系统介绍 8 b 缸 色度信号 输入接口 色度带通 滤波器 d t 0 1 l 案卜匝瞄 燮委h 二! ! h 辫鬻恒酣嘲+ 露d 釜 图2 3 色度电路工作过程 f i g u r e2 3t h ew o r kp r o c e s so fc h r o m ac i r c u i t ( 5 ) 数字y u v 总线 通过1 6b i ty u v 总线可从输出接口将数字信息传送到场存储体、数字彩色空间转换 器( s a a 7 1 9 2d c s c ) 或者视频增强模数处理器( s 从7 1 6 5v e d a 2 ) 。这些输出可由f e i n 来 控制。y u v 数据率与l l c 2 相等。输出信号y 7 y 0 是数字亮度信号的b i t 位。输出信号u v 7 u v o 是多路复用色差信号( b y ) 和( r y ) 的b i t 位。格式表中的时间帧是传输一幅完 整取样所需的时间。通过h r e f 信号可控制该时间帧。通过将f e i n 置低可获取快速使能。 该信号同时可用来控制数字y i j v 总线的快速切换。而f e i n 引脚为高电平时，则会强制将 y 和u v 输出变为高阻态。 ( 6 ) 同步处理 当前置滤波后的亮度信号被送到同步级后。同步脉冲经过切分将送到相位检测器，在 这里它们与细分的时钟频率相比较，并将其结果输出到环路滤波器，来储存所有的相差信 息。可调节的输出信号h c l 和h s y 则由模拟前端的要求来产生。输出信号h s 、v s 、p l i n 被锁至时间基准标记可确保其位于输入信号和h r e f 信号之间，这是因为电路的更进一步 改进可能会改变整个处理延迟，因而并不推荐将它用在对输入信号的定时要求绝对准确的 场合。用环路滤波器驱动一个振荡器可产生行频率控制信号l f c o 。 b 引脚图 s 从7 1 1 0 的引脚图如图2 4 所示； 兰 西安理工大学硕士学位论文 2 3 软件开发工具 图2 4s a a 7 1 1 0 引脚图 f i g u m2 4r ep i nd i a g m o fs 从7 1 1 0 在本课题的设计中主要使用的工具有：m a t i a b 、m o d e l s i m 、q u a r t u si i 等。下面分 别对它们进行简单的介绍。 2 3 1m a t i a b m a t l a b 是由抛t hw o r k s 公司于1 9 8 4 年推出的一套数值计算软件，分为总包和若干 个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、 图象处理等若干个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的算法以函数的形式分 类成库，使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题，快速而准确。眦l a b “”1 的名称源自m a t r i xl a b o r a t o r y ，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理 数据。m a t l a b 将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从 而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且 利用m a t l a b 产品的开放式结构，可以非常容易地对h i a t l a b 的功能进行扩充，从而在不断 深化对问题认识的同时，不断完善m a t l a b 产品以提高产品自身的竞争能力。目前m a t l a b m m m m i 兰m m撕亿h”协薷篙蕊=篇篡嚣=煳 钕vvvvv嘻v v l 2 系统介绍 产品族可以用来进行：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与 方针、数字图像处理、数字信号处理、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。m a t l a b 简单易操作的特点是它流行的很大原因。我们可以迅速得学会并使用它进行算法仿真验 证。m a t l a b 开放的产品体系使m a t l a b 成为了诸多领域的开发首选软件，并且，m a t l a b 还具有3 0 0 余家第三方合作伙伴，分布在科学计算、机械动力、化工、计算机通讯、汽车、 金融等领域。接口方式包括了联合建模、数据共享、开发流程衔接等等。m a t l a b 结合第 三方软硬件产品组成了在不同领域内的完整解决方案，实现了从算法开发到实时仿真再到 代码生成与最终产品实现的完整过程。 2 3 2m o d e l s i m m o d e l s i m 是m o d e lt e c h n o l o g y ( m e n t o rg r a p h i c s 的子公司) 的h d l 硬件描述语言”1 仿真软件，它的内核支持v t t d l ，v e r i l o gh d l 和s y s t e mc 混合仿真的仿真器，同时也支 持许多标准如y e r i l o g2 0 0 1 ，s y s t e r mv e r i l o g 等，内部集成了用于c c + + ，p l i f l i 和 s y s t e mc 的集成c 调试器。支持众多的a s i c 和f p g a 厂家库，可以用于f p g a 和a s i c 设 计的r t l 级和门级电路仿真。相对于大多数的h d l 仿真软件来说，m o d e l s i m 在仿真速度 上也有明显优势。 m o d e l s i m 已经成为f p g a 设计验证成功的关键，几乎所有的f p g a 设计工程师在使用 x i l i n x 、a l t e r a 、a c t e l 等f p g a 厂商的设计工具如i s e 、o u a r t u si i 、l i b r o 时，都在使 用m o d e l s i m 来实现设计的仿真、调试与验证。它的最大的特点是其强大的调试功能：先 进的数据流窗口，可以迅速追踪到产生不定或者错误状态的原因；性能分析工具帮助分析 性能瓶颈，加速仿真；代码覆盖率检查确保测试的完备；多种模式的波形比较功能；先进 的s i g n a ls p y 功能，可以方便地访问a h d l 或者v h d l 和v e r i l o g 混合设计中的底层信号； 支持加密i p ：可以实现与m a r l a b 的s i m u l i n k 的联合仿真。 2 3 3o u a r t u si i a l t e r a 公司的q u a r t u si i 设计软件“盯提供完整的多平台设计环境，它可以轻易满 足特定设计的需要。它是新一代f p g a 设计软件，它包括新的功能，设计性能改善1 5 ，编 译时间缩短5 0 ，还最小化了耗时的验证过程，帮助设计者加快可编程单芯片( s o p c ) 设计。 这些新的功能适用于a l t e r a 高容量可编程逻辑器件，包括a p e x i i 器件系列。o u a r t u si i 设计软件代表了可编程逻辑设计软件的重大发展，q u a r t u si i 为设计者创建复杂的s o p c 设计提供了业界一流的性能，编译时间和生产效率。 o u a r t u si i 设计软件现在除了支持a l t e r a 的a p e x2 0 k e ，a p e x2 0 k c ，a p e xi i ，a r m 的e x c a l i b u r 嵌入处理器方案，m e r c u r y ，f l e x i o k e 和a c e x l k 之外，还支持m a x 3 0 0 0 a ， m a x 7 0 0 0 系列乘积项器件。m a x 3 0 0 0 a 和m a x 7 0 0 0 设计者现在可以使用q u a r t u si i 设计软 件中才有的所有强大的功能。 西安理工大学硕士学位论文 q u a r t u si i4 1 中允许将软件界面设置为m a x p l u si i 风格，支持r t lv i e w 。r t lv i e w 也就是通常所讲的能够查看v h d l 或者v e r i l o gh d l 对应的电路原理图。这个功能对于使 用h d l 进行逻辑设计的人员还是很有用的，一方面可以充分理解h d l 和硬件电路的对应关 系，另一方面可以更加方便的查找设计中的错误。同时它支持综合布线和优化，以及功耗 的计算。 31 2 c 总线实现器件初始化 31 2 g 总线实现器件初始化 3 11 2 0 总线协议 在消费者电子、电讯和工业电子中，看上去不相关的设计里经常有很多相似的地方。 例如几乎每个系统都包括： 一些智能控制，通常是一个弹片的微控制器。 通用电路，例血n l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 驱动器、远程i o m 、r a m 、e e p r o m 或数据转换器。 面向应用的电路，譬如收音机和视频系统的数字调谐和信号处理电路，或者是 音频拨号电话的d t m f 发生器。 为了使这些相似之处对系统设计者和器件厂商都得益，而且是硬件效益最大，电路最 简单。p h i l i p s 开发了一个简单双向两线总线，由两条双向串行总线( s c l 、s d a ) 构成， 它可以实现i c 之间的有效控制。这个总线称为i n t e ri c 或1 2 c 总线。这种总线方式简单高 效，可完成多个器件之间的数据交换，尤其适用于多个器件之间短距离内的随机通信。所 有符合1 2 c 总线的器件组合了一个片上接口，使器件之间直接通过1 2 c 总线通信协。这个 设计概念解决了很多在设计数字控制电路时遇到的接口问题。 3 1 11 2 0 总线的概念 1 2 c 总线“1 _ “中的s d a 线和s c l 线分别为串行数据线和串行时钟线，它们在连接到总线 的器件之间传递信息。每个器件都有唯一的地址识别( 无论是微控制器、l c d 驱动器、存 储器或键盘接口) ，而且都可以作为一个发送器或接收器( 由器件的功能决定) 。除了发 送器和接受器外，器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机( 见表3 1 ：1 2 c 总 线术语) 。主机的作用是初始化总线上的数据传输，并产生允许传输的时钟信号。此时， 任何被寻址的器件都被认为是从机。 西安理工大学硕士学位论文 表3 11 2 c 总线术语 t a b l e3 1t h e1 2 c - i m st e r m i n o l o g y 术语描述 发送器发送数据到总线的器件 接受器从总线接收数据的器件 主机初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件 从机被主机寻址的器件 多主机同时有多于一个主机尝试控制总线，但不破坏报文 仲裁是一个在多个主机同时尝试控制总线，但只允许其中一个控制总线并使 报文不被破坏的过程 同步两个或多个器件同步时钟信号的过程 1 2 c 总线是一个多主机总线，这就是说可以连接多于一个能控制总线的器件到总线上。 由于主机通常是微控制器，让我们考虑以下数据在两个连接至l j l 2 c 总线的微控制器之间传 输的情况( 如图3 1 所示：两个微控制器使用1 2 c 总线) 。 图3 1 两个微控制器使用1 2 c 总线 f i g u r e 3 - - l t w o m i c r o c o n t m l l e r su s i n g o f t h e l 2 c - b u s 这突出了1 2 c 总线的主机一从机和接收器一发送器的关系。应当注意的是，这些关系 不是持久的，只由当时数据传输的方向决定。传输数据的过程如下： a 假设微控制器a 要发送信息到微控制器b 微控制器a 主机寻址微控制器b 从机； 微控制器a 主机发送器发送数据到微控制器b 从机接收器； 微控制器a 终止传输； 31 2 c 总线实现器件初始化 b 假设微控制器 想从微控制器b 接收信息 微控制器a 主机寻址微控制器b 从机； 微控制器a 主机接收器从微控制器b 从机发送器接收数据； 微控制器a 终止传输； 连接多于一个微控制器到1 2 c 总线，意味着超过一个主机可以同时尝试初始化传输数 据。为了避免由此而产生的混乱，发展出了一个仲裁过程，它依靠线与连接所有1 2 c 总线 接口n 1 2 c 总线。 如果两个或多个主机尝试发送信息到总线，在其他主机都产生“0 ”的情况下，首先 产生一个“1 ”的主机将丢失仲裁，仲裁时的时钟信号是用线与连接到s c l 线的主机产生的 时钟的同步结合。 3 1 21 2 3 总线基本特征 下面介绍1 2 c 总线的一些基本特征： 1 2 c 总线共有两根信号线：时钟信号线( s c l ) 和数据信号线( s d a ) ，它们都是双向线 路，都通过一根电流源或上拉电阻连接到正的电源电压( 如图3 2 所示) 。当总线空闲时， 这两条线路都是高电平。 t tv - ，工， r j 1 囱r 一 pull-upr p r e 8 i s t o t sl s d a ( s e r i a ld a t al i n e ) s c l ( s e r i a lc l o c kl i n e ) s i腿s黜 s c l k n l _ j - d a t a n l 一 s c l k n 2 j l - - _ 一 o u t 一 o u t r 最-0 o u t 一厂 d