基于ARM处理器S3C2440A的便携式视频展示台的设计

摘要：文中基于对微处理器S3C2440A的显示控制模块和高性能视频D／A芯片ADV7120的研究，提出了一种便携式视频展示台的设计方案。本方案采用130万像素的OV9650摄像头采集实物、文档、图片或者过程的图像数据，利用S3C2440自带的LCD控制器来产生符合VGA显示要求的时序逻辑，ADV7120将数字RGB信号转换成VGA显示需要的模拟彩色信号。通过TFT—LCD扫描显示的时序与VGA扫描显示时序的匹配来驱动VGA显示。测试结果表明，方案切实可行，达到正常显示色彩信息的要求。
关键词：便携式视频展示台；嵌入式linux；LCD控制器；ADV7120；VGA时序

视频展示台是将实物、文稿、图片和过程等信息转换为图像信号输出在投影机、显示器上展示出来的一种演示设备。便携式视频展示台由于具有体积小，易于携带等优点，被广泛用于教学、大型会议及产品展示等场合，具有较大的研究前景。本视频展示台的设计采用三星基于ARM9内核的S3C2440A芯片，运用模块化的设计原则；具有体积小、便携带、低功耗、易维护性等特点，整个系统的设计由两部分构成，分别是实物、图片、文档或者过程等图像采集部分和VGA传输显示部分。此视频展示台的显示分辨率为800x600。

1 视频展示台系统结构设计
本便携式视频展示台采用三星S3C2440A处理器，其CPU的工作频率可达400 MHz，可以很好的处理图像数据。它的外设包括：LCD控制器、CAMIF单元、UART接口、IICBUS接口、USB主从接口等。系统采用具有极快读写速度的2片32 MB的SDRAM来保证linux操作系统的流畅运行，采用具有掉电保护功能的128 MB的Nancmash来存放操作系统和驱动程序。此外，130万像素的ov9650摄像头用来采集视频图像数据，ADV 7120将数字RGB信号转换成VGA显示需要的模拟彩色信号，显示分辨率为800x600。电源管理模块能够提供多种供电，包括芯片内核电压采用1．8 V供电，芯片的IO口部分采用3．3 V供电。为了给实物、文档、图片或者演示过程提供照明光源，在ov9650摄像头旁边加了一圈led小灯。下图1是方案的硬件电路设计框图。

2 视频图像采集模块
2．1 视频采集硬件接口及其分析
视频采集模块是本便携式视频展示台的一个重要组块之一。本模块采用摄像头接口控制单元CAMIF和IIC总线来控制和传输OV9650摄像头采集实物、图片、文档或者过程等视频数据。选择CMOS传感器是因为它有功耗低、编程方便、成本低等优点。其主要引脚及功能描述如下：CAMCLKOUT是CPU输出的采样时钟，帧同步信号VSYNC、行同步信号HREF、像素时钟信号PCLK由OV9650内部产生，输入到S3C2440A芯片中，用于对图像采集进行控制。摄像头在每个PCLK脉冲过程中依次采集一个字节的数据，直到一帧图像数据采集完成。

摄像头采集的数据经过处理后进入帧缓冲区，帧缓冲区由4个Ping Pong存贮器组成，因此图像帧的读写操作可以同时进行。然后通过预览DMA连到AHB总线上，通过AHB总线将数据送往内存。整个过程由linux操作系统来控制，如图2所示。
2．2 视频采集驱动设计
file_operations结构是Linux2．6内核提供的一个标准化的文件操作实现接口。定义ov9650_ops为file_operations结构。编写用于上层软件接口函数：
struct file_operations ov9650_ops=
{
open：ov9650_open，
release：ov9650_release，
read：ov9650_read，
write：ov9650_write，
iocfl：ov9650_ioctl，
}；
通过这些调用函数，应用程序就可实现对CMOS摄像头的打开、关闭、视频数据的读取、内部寄存器的设置等进行操作。在启动驱动程序时，系统首先调用已经定义的ov9650摄像头驱动程序的入口函数init(ov9650_init)对摄像头进行初始化，初始化的主要内容是复位、通过IIC配置相关摄像头寄存器、摄像头采样时钟配置以及中断配置等，然后等待进一步命令。应用程序使用结束后，系统调用已经定义的ov9650出口函数exit(ov9650_exit)退出。

3 VGA显示模块
3．1 LCD控制器接口和VGA接口描述
本便携式视频展示台的另一个重要组块是VGA显示模块。S3C2440A带有LCD控制器，可以很方便地控制驱动扫描式接口的TFT显示。其主要功能引脚有：像素时钟信号引脚VCLK／LCD，场同步信号引脚VFRAME／VSYNC，行同步信号引脚VLINE／HSYNC，VD[23：0]是LCD数据输出端口。当把VSYNC、HSYNC、VCLOCK等信号参数设定好，并把帧内存(frame memory)的地址告诉LCD控制器后，LCD控制器即可通过DMA自动获取帧内存中的图像数据。
VGA接口使用模拟RGB通道，逐点、逐行扫描。VGA接口信号为模拟信号，其关键信号有5个，分别是行同步信号，场同步信号，红色模拟信号，绿色模拟信号和篮色模拟信号。电子枪从左至右，从上而下的进行扫描，每行结束时，用行同步信号进行同步。扫描完所有的行后用场同步信号进行场同步。
通过比较LCD扫描式接口时序和VGA时序可知，LCD控制器驱动TFT显示的行场同步信号时序和VGA行场同步信号时序很像。只是信号的极性VGA是负极性，LCD信号是正极性，这个通过调整Linux内核显示模块来调整LCD的时序以适应SVGA时序即可。因此，可以利用高性能视频D／A转换芯片ADV7120将S3C2440A自带的LCD扫描式接口转换为VGA接口，然后用带有VGA接口的显示器显示。此外，LCD控制器用于控制数据信号的使能的引脚VDEN在D／A转换模块中可用来控制信号转换的使能，LCD控制器的VCLK可用作D／A转换模块的时钟信号。
3．2 高性能视频D／A转换芯片ADV7120
ADV7120的输入及控制信号非常简单：3组8位的数字视频数据输入端，用以连接LCD控制器的数据输出接口VD[23：0]，数据输入端采用标准TTL电平接口；4条视频控制信号线包括复合同步信号SYNC、消隐信号BLANK、白电平参考信号REF WHITE和像素时钟信号CLOCK，外接一个123V数模转换参考电压源和1个输出满度调节。
ADV7120的输出信号只有4条：3条模拟RGB信号和同步参考电流输出信号Isync。VGA接口的行场同步信号和LCD扫描式接口的行场同步信号是一致的，因此LCD控制器接口中的行场同步扫描信号HSYNC和VSYNC直接接到VGA接口。LCD控制器和VGA接口是由硬件实现的两种接口的电器转接，不需要写任何驱动程序，这是在嵌入式系统平台上扩张VGA接口最方便的方案，也是本便携式视频展示台体积小，易携带性设计的基础。