视频信号发生器设计方案

视频信号发生器是检测电视系统视频通道传输质量的一种常用信号源，可以用来对电视系统中的视频通道的传输特性进行测试和调整。它能够方便地检测复合视频信号的幅度、周期，并对各彩条信号的编码关系等显示得十分清晰而精确。以下是一个基于单片机和FPGA的视频信号发生器设计方案，详细描述了主控芯片的型号、作用以及设计流程。

一、设计概述

本设计将研究如何利用单片机和FPGA来制作视频信号发生器。该视频信号发生器具有性价比高、应用广泛的特点，适用于教学、科研和工程测试等领域。通过单片机灵活的编程能力，可以设计多种不同形式的视频信号发生器，如彩条信号发生器、棋盘格信号发生器、方格信号发生器、活动矩形信号发生器等。

二、主控芯片型号及作用

1. FPGA芯片

型号：Altera Cyclone II系列 EP2C20Q240

作用：

• 逻辑时序控制：FPGA作为主控单元，实现各种逻辑时序功能，确保信号发生器能够按照预定的时序输出信号。

• 数据存储：FPGA内部具有丰富的逻辑单元（LE）和I/O输出口，可以存储和处理大量的视频信号数据。

• 时钟管理：EP2C20Q240具有16个时钟输入通道和4个锁相环（PLL），可以接受外界时钟芯片提供的时钟信号，并进行时钟管理，确保信号发生器输出信号的稳定性和准确性。

• 接口兼容性：该芯片支持多种单端I/O标准，如LVTTL、LVCMOS、PCI和SSTL-2/3，方便与其他设备连接。

详细参数：

• 逻辑单元（LE）：18752个

• I/O输出口：123个

• 封装形式：QPFP，易于制作

• 接口电压：3.3V

• 内核电压：1.2V

• 工艺技术：0.13um全铜工艺技术

2. 单片机芯片

虽然具体型号未在题目要求中明确，但单片机在设计中通常用于以下功能：

• 控制信号生成：单片机通过编程控制FPGA，生成所需的视频信号。

• 用户界面：单片机可以连接按键、显示屏等用户输入/输出设备，方便用户进行参数设置和状态显示。

• 通信接口：单片机通常具有多种通信接口（如UART、SPI、I2C等），可以与计算机或其他设备进行数据交换。

3. 其他关键器件

• 视频编解码芯片：Silicon Image公司的Sil160和Sil161，用于DVI输入/输出。

• LVDS输出芯片：TI公司的SN75LVDS83，用于LVDS信号输出。

• 时钟芯片：AMI公司的FS6370，提供稳定的时钟信号。

• 电源芯片：LM317，提供稳定的电源供应。

• USB传输芯片：FT245BM，用于USB数据传输。

三、设计流程

1. 系统架构设计

系统架构主要包括以下几个部分：

• 主控模块：以FPGA为核心，负责逻辑时序控制、数据存储和时钟管理。

• 信号生成模块：由单片机控制FPGA生成所需的视频信号。

• 输入输出模块：包括DVI输入/输出、LVDS输出等，用于信号的输入和输出。

• 电源模块：提供稳定的电源供应。

• 通信模块：用于与计算机或其他设备进行数据交换。

2. FPGA逻辑设计

FPGA的逻辑设计主要包括以下几个部分：

• 时钟管理模块：接收外界时钟芯片提供的时钟信号，通过锁相环（PLL）进行时钟分频和倍频，生成所需的时钟信号。

• 信号生成模块：根据单片机的控制指令，生成所需的视频信号。这包括彩条信号、棋盘格信号、方格信号等。

• 数据存储模块：存储视频信号数据，包括图像的像素值、颜色信息等。

• 输入输出控制模块：控制DVI输入/输出、LVDS输出等，确保信号能够正确传输。

3. 单片机程序设计

单片机的程序设计主要包括以下几个部分：

• 初始化程序：初始化单片机的各个外设和接口，配置时钟源和中断等。

• 用户界面程序：设计按键和显示屏的用户界面，方便用户进行参数设置和状态显示。

• 通信程序：实现单片机与计算机或其他设备的通信功能，包括数据发送和接收。

• 控制程序：根据用户设置的参数，控制FPGA生成所需的视频信号。

4. 硬件连接与调试

硬件连接主要包括以下几个部分：

• FPGA与单片机连接：通过SPI或其他通信接口连接FPGA和单片机，实现数据传输和控制。

• FPGA与输入输出模块连接：连接DVI输入/输出、LVDS输出等模块，确保信号能够正确传输。

• 电源模块连接：连接电源芯片和电源输入接口，提供稳定的电源供应。

• 通信模块连接：连接USB传输芯片和计算机或其他设备的通信接口。

调试过程主要包括以下几个步骤：

• 硬件检查：检查各个硬件模块的连接是否正确，电源是否稳定。

• 软件调试：通过单片机编程器将程序下载到单片机中，进行软件调试。

• 信号测试：使用示波器或信号发生器测试输出的视频信号是否符合预期。

• 系统测试：将系统连接到电视或显示器上，进行整体测试，确保系统能够正常工作。

四、设计总结

本设计采用单片机和FPGA相结合的方法，实现了一款功能强大、性价比高的视频信号发生器。通过灵活的编程能力和丰富的逻辑单元，FPGA能够生成多种形式的视频信号，满足教学和科研等领域的需求。单片机则提供了用户界面和通信接口等功能，方便用户进行参数设置和数据交换。

在设计中，我们采用了Altera Cyclone II系列的EP2C20Q240作为主控芯片，该芯片具有功能强大、价格低廉等优点，完全满足设计需求。同时，我们还采用了Silicon Image公司的视频编解码芯片、TI公司的LVDS输出芯片等关键器件，确保信号的稳定性和准确性。

通过本次设计，我们不仅掌握了单片机和FPGA的基本应用方法，还深入了解了视频信号发生器的工作原理和设计流程。这对于我们今后的学习和工作都具有重要的指导意义。