摘要

Autotestcon 2010的主旨“45年的支持創(chuàng )新——以光速前進(jìn)”，這個(gè)主旨對軍用ATE系統是非常有意義的，因為它強調努力保持二分法的最先進(jìn)的測試能力，同時(shí)需要支持傳統的老技術(shù) – 可能是幾十年，像Autotestcon本身一樣長(cháng)久。對于支持基于晶體管的離散電子器件、TTL、CMOS和其他在1960~1970年代期間興起的技術(shù)的需求，使用圍繞定制ASIC、高性能FPGA和邏輯電平搭建的測試系統呈現出獨特的挑戰。

上個(gè)世紀部署的系統，使用CRT監視器向技術(shù)人員或操作人員提供顯示信息。這些監視器是基于模擬視頻傳輸標準的，比如RS170、NTSC（國家電視標準委員會(huì )，National Television Standards Council）、PAL（逐行倒相制式，Phase Alternating Line）和其他相似的標準�，F今，DVI與HDMI數字視頻廣泛使用，很難找到商用CRT監視器了。但是在老舊的部署系統中CRT監視器依舊被廣泛使用。

本篇文檔是一個(gè)應用案例，使用基于PXI的儀器生成NTSC與PAL制式的簡(jiǎn)單彩條信號，用于支持Mini Samson或Katlanit遠程控制武器站。通過(guò)集成現成的PXI FPGA板卡與在公共領(lǐng)域與少數商用領(lǐng)域可用的知識產(chǎn)權核心（IP，intellectual property core），提供低成本的解決方案，支持生成用于測試CRT與LCD監視器的模擬與數字視頻信號。此種解決方案的靈活性步進(jìn)可以滿(mǎn)足原始的基本需求 - 生成彩條碼型信號，還可以通過(guò)擴展包括更多復雜的測試碼型。

關(guān)鍵字：視頻信號發(fā)生器，PXI視頻信號發(fā)生器，FPGA

概覽

Rafael系統部門(mén)在1990年代開(kāi)發(fā)了Samson遠程控制武器站（RCWS，Remote Controlled Weapon Station）[1]，這是一個(gè)可令大量設備自動(dòng)操作或遠程控制的武器平臺，支持的武器包括5.56mm、7.62mm和12.7mm機槍?zhuān)?/span>40mm自動(dòng)榴彈發(fā)射器，反坦克飛彈與觀(guān)察哨。Samson遠程控制武器站的一種變體形式，稱(chēng)為Mini Samson或Katlanit，早在2000年代就已研發(fā)，在2006年首次部署。

Geotest – Marvin Test Systems被指派搭建一個(gè)用于測試Katlanit遠程控制武器站組件的測試系統。TS-230測試系統可全方面地對Katlanit武器系統進(jìn)行CU（Control Unit）、DU（Display Unit）與GCHU (Gun Control Hand Unit) 的功能測試。這些待測組件包含了RCWS平臺的80%。CU是RCWS系統的計算機，用于監測機槍與載具的相對位置，根據載具類(lèi)型不同判斷不能進(jìn)行射擊的位置與角度（比如，接近哨口邊緣載的位置或載具前部特定角度），還支持其他RCWS控制功能與驅動(dòng)命令。DU是RCWS瞄準的控制與顯示單元，同時(shí)也顯示這些單元的圖像數據。GCHU是通過(guò)遙桿控制CU，由操作人員控制點(diǎn)火射擊。

原始的測試需求要求使用定制的DU接口測試盒進(jìn)行手動(dòng)測試。純手動(dòng)的測試系統的設計令集成度更加復雜，系統交互有限。未來(lái)的測試系統要求彩條信號發(fā)生器能夠提供標準的NTSC或PAL制式視頻信號進(jìn)行DU自動(dòng)測試。TS-230測試系統的升級包括基于PXI的彩條信號發(fā)生器，用于生成標準NTSC或PAL制式彩條視頻信號；也支持生成其他碼型，用于測量視頻碼型的清晰度、亮度、角度、對比度。使用PXI彩條信號發(fā)生器后，DU接口測試盒將會(huì )被淘汰，同時(shí)也會(huì )實(shí)現DU測試的完全自動(dòng)化，提高測試能力，避免不必要的手動(dòng)操作。

方案實(shí)施

通過(guò)集成多款COTS（Commercial Off-The-Shelf）與控制軟件，提供一個(gè)靈活、且低成本的解決方案，可用于測試傳統的NTSC與PAL制式視頻信號，也可用于測試VGA監視器。測試系統的核心是Geotest GX3500，一款結合了Altera Cyclone III FPGA的3U PXI FPGA板卡（如圖1）。除了Altera Cyclone III FPGA的高性能與高等效邏輯門(mén)密度外，GX3500也是此類(lèi)應用的理想平臺，因為在GX3500板卡上安裝具有自定義接口的或集成了附加功能的擴展板卡，在本解決方案中就利用了擴展板卡的這兩個(gè)用途。

GX3500 FPGA板卡

GX3500的公共是多樣的，為本應用提供了一個(gè)現成的PXI平臺，已包括視頻信號發(fā)生器的硬件與固件組件。GX3500板卡上安裝了兩塊FPGA，一塊（稱(chēng)為PXI Interface FPGA）專(zhuān)用于連接至PXI總線(xiàn)，提供所有的握手、地址解碼與其他PXI儀器所需要的功能。另一塊FPGA（稱(chēng)為Cyclone III），幾乎是完全預留用于用戶(hù)的特定應用，Cyclone III的一小部分等效邏輯門(mén)資源用于連接另一塊PXI Interface FPGA。通過(guò)PXI Interface FPGA將PXI總線(xiàn)與Cyclone III相連，在Cyclone III內部就不需要集成PCI IP核了，節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間并且為用戶(hù)的特定應用（在本方案中就是視頻信號發(fā)生器）節省了大量的等效邏輯門(mén)�？墒褂�Altera的 Web版Quartus II軟件 進(jìn)行GX3500的Cyclone III FPGA邏輯設計，此軟件完全免費，可在Altera官網(wǎng)下載[2]。

視頻信號發(fā)生器IP核

視頻信號發(fā)生器的關(guān)鍵是Altera提供的開(kāi)源VGA控制器IP核[3]。本項目的最初目的是生成NTSC與PAL復合視頻信號，選擇VGA IP核的原因是因為它能夠提供與這些視頻標準相似的分辨率。VGA控制器生成垂直與水平同步定時(shí)的視頻數據，為擴展板卡中的DAC提供像素時(shí)鐘；還具有內存管理功能，處理512Kb x 3 SRAM圖像緩沖器，為NTSC/PAL編碼器提供其他VGA控制，編碼器與圖像緩沖器都位于擴展板卡上。

視頻信號發(fā)生器的輸出被饋送至視頻DAC。圖像數據或者像素數據通過(guò)三個(gè)顏色（紅、綠、藍）通道傳輸，每通道分辨率10 bit。傳輸到視頻DAC的數據通過(guò)VGA IP生成的像素時(shí)鐘實(shí)現和同步與消隱控制的同步。

圖像碼型緩沖器

Cyclone III FPGA不具有足夠的內部?jì)却鎯Υ嬉粋�(gè)完整的640 x 480 VGA圖像，所以在擴展板卡上安裝了一個(gè)外部512Kb x 32 SRAM（Static Random Access Memory）。通過(guò)集成在視頻IP核中的內存管理器單元控制SRAM。只要將一個(gè)位圖圖像寫(xiě)入到SRAM中，就會(huì )使圖像以選定的視頻制式輸出（VGA、NTSC或PAL）——一旦該儀器處于運行狀態(tài)。

視頻DAC（ADV7123）

ADV7123是一款三通道、高速、數模轉換器，由Analog Devices公司提供。包括三個(gè)高速、10 bit視頻DAC（通道），具有差分輸出與標準TTL輸入接口[4]。ADV7123與很多高分辨彩色圖像系統兼容，比如NTSC（RS-170A）。

RGA數據，VGA IP核接口至ADV7123的同步與消隱控制和像素時(shí)鐘同步，像素時(shí)鐘由IP核提供。像素時(shí)鐘是通過(guò)圖像（640 x 480）的水平與垂直分辨率、刷新率（60 Hz）、回掃時(shí)間或消隱因素（0.8）經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計算得出的。對于640 x 480的圖像，像素時(shí)鐘為23.04 MHz。

NTSC/PAL編碼（AD725）

ADV712視頻DAC的輸出是VGA信號，為了支持NTSC與PAL視頻信號，需要使用編碼器。AD725，由Analog Devices公司提供，是一款低價(jià)、通用的RGA-NTSC/PAL編碼器，此款編碼器根據NTSC或PAL標準將紅、綠、藍彩色信號轉換為相應的亮度（基帶信號的幅度）與色度（副載波的幅度與相位）信號[5]。

為了支持NTSC或PAL視頻標準，圖像數據必須以交錯的形式饋送至編碼器。通常，VGA是非交錯的，所以必須在VGA IP核中添加控制，當斷言時(shí)IP核以奇數/偶數交錯形式饋送圖像數據至編碼器。編碼器要求時(shí)鐘是選擇的視頻標準的彩色副載波的4倍，NTSC為14.318180MHz，PAL為17.734475MHz。這些時(shí)鐘由專(zhuān)用的晶體振蕩器生成，以保證穩定性，并由FPGA控制的多路復用器進(jìn)行選擇。像素時(shí)鐘與視頻DAC的其他定時(shí)參數可進(jìn)行適當的程控以滿(mǎn)足NTSC或PAL制式的不同分辨率需求。圖2為安裝了滿(mǎn)足特定應用需求的擴展板卡的PXI FPGA模塊。

軟件

通過(guò)讀寫(xiě)Cyclone III的多個(gè)控制寄存器實(shí)現對視頻信號發(fā)生器硬件的控制。底層驅動(dòng)庫提供一些函數，調用這些函數極性以下操作：加載圖像、選擇視頻標準、使能硬件顯示儲存在SRAM緩沖器中的圖像。驅動(dòng)庫以DLL形式發(fā)布，易于與任何基于Windows的編程語(yǔ)言集成。其中一個(gè)函數，用于加載位圖圖像至圖像緩沖器，可令測試碼型以選擇的視頻標準進(jìn)行顯示。函數訪(fǎng)問(wèn)BMP圖像文件的路徑與名稱(chēng)，并將24 bit BMP圖像（每個(gè)顏色通道8 bit）轉換為30 bit（每個(gè)顏色通道10 bit），將數據向左移動(dòng)2 bit以另10 bit碼型的MSB對齊——有效地填充每個(gè)10位顏色通道的兩個(gè)LSB。集成了視頻測試碼型發(fā)生器的測試系統如圖3。高層控制包括預定義測試碼型，可以通過(guò)主機選擇并加載至視頻信號發(fā)生器。用戶(hù)可選視頻標準VGA、NTSC或PAL，軟件會(huì )設置相應的控制寄存器。

總結

利用現今的技術(shù)與PXI平臺，結合靈活的FPGA平臺、一些商業(yè)上可用的組件與控制軟件，提供了一種靈活且低成本、支持傳統顯示設備的視頻測試解決方案。對于很多顯示器與視頻處理器的測試需求，使用標準的PXI FPGA產(chǎn)品與滿(mǎn)足特定應用的擴展板卡可以提供一種低成本且緊湊的視頻信號發(fā)生器——從此不再需要昂貴、單一的視頻信號發(fā)生器。