基于FPGA的VGA―DVI视频转换器设计

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摘 要：提出了一种基于fpga实现I2C总线接口来控制芯片ISL98003和芯片SII164完成vga-dvi视频转换的设计方案。对输入的VGA模拟视频信号经过两次转换，输出符合TMDS协议的DVI数字视频信号。同时通过FPGA内部设计实现了对视频转换模式选择的可视化操。

关键词：DVI；FPGA；VGA；I2C

随着数字技术的不断发展，大部分中高档的信号处理和显示设备都具有可视化数字信号接口（DVI口），DVI接口也必将成为今后显示设备的主流接口。目前正处在VGA模拟信号向纯数字显示接口过渡时期，会有很多场合需要把模拟显示器用的VGA信号送入数字系统中。市面上现在已经有很多基于单片机控制实现的VGA-DVI转换器的设计成品，考虑到在航天、军事等一些特殊场合的应用，本文提供了一种基于FPGA控制实现的VGA向DVI信号转换的设计方案。首先，通过该方案可以将模拟的VGA信号（R、G、B、HS、VS）转换为DVI视频信号直接接入数字显示器或者数字系统进行处理，达到视频信号的模、数转换；其次，在FPGA上实现了显示转换的初始化和控制，可以在嵌入式系统中直接加入该模块，减少电路物理体积，可以很好的应用于航天、军事等一些特殊领域的设备。

1 系统结构

该设计中，VGA-DVI转换功能的实现使用了芯片ISL98003和芯片SII164。通过FPGA对上述芯片进行控制来完成，转换流程由以下几个模块和步骤组成，如图1所示：

⑴用FPGA实现I2C总线模块控制和初始化芯片ISL98003和芯片SII164，使芯片进入正常工作状态。初始化后的电路可以使用4+1按键对FPGA控制模块进行输入控制，控制信号经FPGA编码通过I2C接口调整ISL98003的工作模式，从而改变对输入视频信号的色彩（包括亮度、对比度等参数）变换。

⑵芯片ISL98003接受VGA模式的模拟输入R、G、B、HS、VS等信号，按照转换设置进行模式转换、色彩调整等工作后输出R[7：0]、G[7：0]、B[7：0]、HS、VS、DE、PIXCLK等数字信号。

⑶SII164接收经ISL98003转换处理后的数字信号，进行色彩空间变换，将24b的像素数字信号转换成TMDS输出。

⑷通过4+1按键对色彩转换控制的具体操作经过控制模块调用LCD显示接口同步显示在LCD12864上面，实现可视化转化操作。

1.1 ISL98003的使用

ISL98003是由Intersil公司生产的专用于视频信号处理的具有3通道、8位模拟前端的模数转换芯片。它具有165MSPS的解码能力，最大转换率支持UXGA（1600*1200@60Hz），像素时钟输出频率范围10Mhz-165Mhz。

在本设计中，ISL98003接受输入的模拟R、G、B、HSYNC、VSYNC信号，完成模数转换，按照I2C接口输入的配置控制命令，生成行场同步信号（HSYNC、VSYNC）、数据是能（DE）、时钟信号（DATACLK），完成模拟信号向完整的数字视频信号的转换。

1.2 SII164的使用

SII164采用PanalLink数字技术，支持显示范围为（VGA）25Mbps-（UXGA）165Mbps。可以工作在单像素模式或双像素模式，对输入视频信号进行色彩空间变换，完成数字视频显示信号的TMDS编码。同时可以通过I2C总线进行控制，支持热插拔检测。

在本设计中，SII164通过I2C接口接受FPGA控制模块的初始化配置，然后接收经过ISL98003数字化和色彩调整后的数字显示信号，进行色彩空间变换，完成TMDS编码，输出支持TMDS电气特性的DVI显示信号。

2 FPGA功能模块设计

本文的设计重点是如何在FPGA上实现对芯片ISL98003和芯片SII164的初始化和控制。对芯片的初始化通过I2C接口直接进行接通后的初始化，对色彩变换的控制通过4+1键盘进行菜单选择，通过I2C总线将命令写入ISL98003的寄存器实现对ISL98003的控制，并同步将控制选项在LCD12864液晶上面显示，实现可视化的色彩转换控制。其中使用FPGA用纯硬件方式实现I2C接口是设计的难点。

2.1 I2C接口的FPGA实现

I2C（Inter-Integrated Circuit）总线是由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，通过串行数据（SDA）线和串行时钟 SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。目前技术上都是通过软件和硬件结合的方式实现I2C总线协议来达到串行总线通信的目的，本设计分析I2C总线协议时序，在FPGA上实现纯硬件I2C总线接口，原理图如下图所示：

其中，双口RAM模块：根据读写使能信号（R＼W）存储待发送或者已接受的数据；是I2C接口和内部控制模块之间的数据接口。

PLL模块：将系统时钟分频后送入I2C时序逻辑，为SCL总线时钟提供易于计算处理的始终参考。

Signal MUX and Converter模块：在I2C总线时序逻辑控制模块的管理下选择启动信号、终止信号、写数据以及读数据和SCL、SDA建立连接，处理内部信号和SDA线的输入输出转换。

I2C总线时序逻辑控制模块：是I2C总线接口的核心，控制产生I2C工作的所有时序逻辑，对SCL和SDA总线通过Start_module、Stop_modul、Write_module、Read_module以及Signal MUX and Converter进行控制，完成I2C总线的控制。

2.2 显示控制的FPGA实现

显示控制功能的作用在于可以通过按键控制来改变视频转换的模式，对视频进行转换控制，并可以将控制模式的选择同步显示在128*64LCD液晶上，实现可视化的控制操作。具体功能模块的实现见图5所示：

按键接口：有消抖模块封装而成，用于检测键盘的按下和释放，进行按键消抖后将平稳信号传送至控制模块。

LCD12864显示接口：选择LCD12864的串行控制模式，对LCD12864进行初始化，接受控制模块输出的显示信息，显示到LCD。

控制模块：此控制模块包含了所有接口的驱动模块和设备的初始化信息以及模式选择的菜单数据。在通过I2C接口完成对芯片ISL98003和芯片SII164的初始化之后将初始化后的工作状态显示到LCD，转换器开始正常工作。若需要对视频信号进行色彩变换调节，通过按键进行模式选择，控制模块将控制信息通过I2C接口写到ISL98003的寄存器，配置完成后将模式选择结果显示在LCD，转换器按照设置的模式进行工作。

3 结语

本设计所选用的芯片ISL98003和芯片SII164都是目前比较主流的视频信号转换芯片，性能稳定，转换效率出色。同时使用FPGA直接以纯硬件方式实现I2C接口虽然在算法实现上比较复杂一点，但是在控制中由于电平直接基于硬件传输，有着速度快、性能稳定、实时性好等特性。使用FPGA直接控制视频转换芯片进行工作，可以使系统很大程度上更好的适用于军事、航天等特定领域。由于控制模块式基于FPGA的I2C接口完成，除了可以控制视频显示转换芯片外，还可以添加其他支持I2C接口的设备，保证了系统的可移植性和可扩充性。

[参考资料]

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[3]Xie Xiaohua，Liang Huaqing.Design of VGA to DVI signal converter[J].FOREIGN ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY，2010，29（6）：72-75.

[4]Andy Morrish.The VESA Generalized Time fomula CA 95052[Z].USA，1988.

[5]SII164 Datasheet.http：//.

[6]ISL98003 Datasheet.http：//.

作者简介：张雄（1988-），男，汉族，甘肃省通渭县人，兰州交通大学在读硕士研究生，研究方向：SOPC。