一. 引言

　　目前監(jiān)視器有CRT、液晶等各種顯示類型，這些產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)規(guī)格有非常大的差異。目前國內(nèi)外還沒有針對廣播級數(shù)字圖像監(jiān)視器圖像質(zhì)量的測試指標(biāo)和測試方法標(biāo)準(zhǔn)，只有各個(gè)廠家給出的各個(gè)設(shè)備的出廠指標(biāo)，應(yīng)用單位無法得到真實(shí)的高清指標(biāo)，也無法對其進(jìn)行測量鑒定和驗(yàn)收。為滿足測試的靈活性需要，需要有簡便的信號(hào)源發(fā)生器，以滿足各單位在數(shù)字電視節(jié)目制作、數(shù)字電視設(shè)備選型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)收以及節(jié)目制作的需要。

　　SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，目前，SD卡的存儲(chǔ)容量已高達(dá)16GB，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。

　　本文采用YUV4：2：2 8bit格式信號(hào)源，以SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，基于Altera公司的NiosⅡ軟核進(jìn)行SD卡的數(shù)據(jù)讀取，將讀取的數(shù)據(jù)存入SRAM，由FPGA硬件開發(fā)進(jìn)行SDI信號(hào)的輸出。

　　二. 數(shù)字監(jiān)視器的測試信號(hào)及測量方法研究

　　根據(jù)SJ/T 11348-2006數(shù)字平板顯示器件測量方法和GY/T 11-092 “廣播用圖像監(jiān)視器技術(shù)要求”，測量數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)清晰度電視所需要的信號(hào)有：彩條信號(hào)、全白場、全黑場、極限八灰度等級信號(hào)、白窗口、黑窗口、黑白窗口、棋盤格信號(hào)的參數(shù)。

　　根據(jù)歐廣聯(lián)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tech. 3213-E E.B.U. STANDARD FOR CHROMATICITY TOLERANCES FOR STUDIO MONITORS和Tech. 3263-E-second edition SPECIFICATION OF GRADE-1 COLOR PICTURE MONITORS以及SJ/T 11348-2006數(shù)字電視平板顯示器測量方法主要有：亮度、對比度、亮度均勻性、白色色度誤差、基色色度坐標(biāo)、白色色度不均勻性、可視角、殘留影像和響應(yīng)時(shí)間的測試方法。

　　三. 基于SOPC軟核的SD卡的讀取

　　1. 嵌入式FAT文件系統(tǒng)

　　Altera公司推出的NIOS II嵌入式處理器系統(tǒng)，是目前比較流行的SOPC。它通常由NIOS II處理器、Avalon總線結(jié)構(gòu)和各種外圍設(shè)備（包括SDRAM控制器、DMA、CF卡控制器以及用戶自己設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備等）的IP核三部分組成，Altera的SOPC builder系統(tǒng)開發(fā)工具可以自動(dòng)生成這些組件以及聯(lián)結(jié)它們的總線。

　　為了便于控制器對SD卡進(jìn)行操作，必須用文件系統(tǒng)來對SD卡進(jìn)行管理，由于SD卡上的視頻生成文件是由裝有Windows操作系統(tǒng)的PC寫入，其文件系統(tǒng)為FAT12、FAT16或FAT32。所以在本控制器中需要實(shí)現(xiàn)兼容FAT12、FAT16 和FAT32 的文件系統(tǒng)。

　　在本控制器的設(shè)計(jì)中，需要對SD卡設(shè)計(jì)嵌入式文件系統(tǒng)，為視頻文件的讀取和管理提供了有效的手段。嵌入式文件系統(tǒng)以中間件的形式來設(shè)計(jì)，為應(yīng)用程序提供初始化、打開、讀取、關(guān)閉、刪除等API函數(shù)接口。嵌入式文件系統(tǒng)劃分為三層結(jié)構(gòu)：硬件驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)功能層及用戶接口層。其中硬件驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)對SD卡底層操作，抽象底層硬件并為上層實(shí)現(xiàn)提供硬件接口無關(guān)函數(shù)；

　　系統(tǒng)功能層實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)管理算法，提供文件系統(tǒng)功能函數(shù)；用戶接口層封裝功能層函數(shù)并為用戶程序提供文件應(yīng)用編程操作接口API函數(shù)，屏蔽文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。本嵌入式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)層次圖如圖1所示。

圖1 嵌入式文件系統(tǒng)中間件架構(gòu)

　　此文件系統(tǒng)包括硬件驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)功能層和用戶接口層。硬件接口層包含了對應(yīng)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)，支持SD模式下的SD卡設(shè)備。系統(tǒng)功能層主要處理FAT文件系統(tǒng)中FAT表、目錄、文件管理，是文件系統(tǒng)的核心。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)兼容FAT12/16/32三種文件系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別、區(qū)分和處理。

　　用戶接口層提供了應(yīng)用程序所需的API函數(shù)，包括初始化、讀取、刪除等函數(shù)。根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際需要，用戶接口層的API 函數(shù)重點(diǎn)為文件的打開、讀取操作，下面以讀文件為例介紹其函數(shù)流程，其流程圖如圖2所示。

圖2 文件系統(tǒng)讀文件流程圖

　　 2. SOPC硬件開發(fā)

　　首先在Quartus II中建立自己的工程，然后啟動(dòng)SOPC Builder添加模塊集組件庫或用戶自定義模塊，添加各模塊的時(shí)候，即可對NiosII CPU和各外設(shè)模塊的特性，例如存儲(chǔ)器的大小，SDRAM的時(shí)序參數(shù)等，以及各IP模塊在系統(tǒng)中的映射地址分配等進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定復(fù)位地址和異常地址后，啟動(dòng)SOPC Builder中的Generate，使之生成用于綜合和仿真的文件。然后使用Quartus II軟件中的Assignment->pins對各模塊端口引腳鎖定，對生成的NiosII系統(tǒng)進(jìn)行仿真、綜合、適配和下載。 該系統(tǒng)所涉及的Nios II硬件系統(tǒng)包括如下模塊：

　　Nios II/s處理器核；外部SRAM；三態(tài)橋；4位輸入\輸出PIO（SD卡data接口）；8位輸出PIO（SD卡的CMD和CLK）；PLL鎖相環(huán)；JTAG UART；

　　3. SOPC軟件開發(fā)

　　啟動(dòng)Nios II IDE，使用它提供的New Project向?qū)В/C++應(yīng)用工程和系統(tǒng)庫工程。在這個(gè)步驟中需要指定新工程名、目標(biāo)硬件及工程模板。工程名由用戶自己命名，目標(biāo)硬件就是SOPC Builder生成的ptf文件，在本設(shè)計(jì)中為monitor_test.ptf，Nios II IDE需要從這個(gè)文件中獲取該系統(tǒng)的相關(guān)信息。在向?qū)е羞€可以選擇工程模板，它可以幫助用戶盡可能快速地推出可運(yùn)行系統(tǒng)，每個(gè)模板包括一系列軟件文件和工程設(shè)置。

　　在新建應(yīng)用工程的過程中，NiosII IDE會(huì)為工程創(chuàng)建系統(tǒng)庫system library，系統(tǒng)庫是驅(qū)動(dòng)程序集，提供對目標(biāo)硬件的訪問。

　　在程序窗口，用戶根據(jù)自己的需求對模板中的源程序進(jìn)行編輯和修改，完成后，先對C/C++應(yīng)用工程系統(tǒng)屬性進(jìn)行設(shè)置，以使編譯器編譯出更高效、占有空間更小的代碼。具體操作為：將應(yīng)用工程和系統(tǒng)庫工程中的Optimization Level均選擇為Optimize most(-O3)。

　　然后，在屬性對話框中打開System Library，打開屬性頁面進(jìn)行設(shè)置。建立工程時(shí)，systemlibrary頁面為根據(jù)自己的系統(tǒng)建立的默認(rèn)設(shè)置，用戶可根據(jù)自己的需求修改相關(guān)的設(shè)置。

　　在本設(shè)計(jì)中，在Use auto-generated linker script選項(xiàng)中選擇SRAM，一般情況下不設(shè)置成flash，因?yàn)閒lash運(yùn)行速度較RAM要慢得多。標(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)、標(biāo)準(zhǔn)輸出(stdout)和標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤(stderr)可根據(jù)用戶需要自行設(shè)置，在本系統(tǒng)中有jtag_uart可選擇，而NiosII IDE的console是jtat_uart的終端，用戶能很方便的觀察程序運(yùn)行的結(jié)果。使用標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出、標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤函數(shù)是最簡單的控制I/O設(shè)備的方法。HAL系統(tǒng)庫在后臺(tái)管理sdin、stdout和stderr函數(shù)，它可以使用戶通過相關(guān)通道來發(fā)送和接收字符。例如，系統(tǒng)庫會(huì)控制printf()的輸出給標(biāo)準(zhǔn)輸出，控制perror()的輸出給標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤。假設(shè)stdout設(shè)置成uart，則下面的簡單C/C++程序即能將字符hello world！發(fā)送給uart，通過串口終端或串口調(diào)試助手可以看到結(jié)果。

　　到此，應(yīng)用工程系統(tǒng)屬性設(shè)置完畢，接下來對工程進(jìn)行編譯連接，生成elf文件。編譯沒有錯(cuò)誤，在將程序下載到目標(biāo)板之前，先在NiosII IDE里進(jìn)行調(diào)試，驗(yàn)證程序功能的正確性。調(diào)試前將USB-Blaster II下載線連接到硬件平臺(tái)的JTAG口，接上電源，同時(shí)將硬件配制文件(.sof文件)下載到目標(biāo)板上的FPGA中。

　　選擇Run->Debug As->Nios II Hardware，即可進(jìn)入調(diào)試界面進(jìn)行硬件調(diào)試。調(diào)試完成，就可以在目標(biāo)硬件上運(yùn)行程序了。

　　4. SD卡文件讀取的實(shí)現(xiàn)

　　在向SD卡發(fā)送CMD0之前需要發(fā)送74個(gè)時(shí)鐘，因?yàn)樯想姵跗冢妷荷仙^程根據(jù)SD卡組織的計(jì)算約合64個(gè)CLK周期才可以到達(dá)SD卡的正常工作電壓；后10個(gè)CLK是為了使主機(jī)與SD卡同步。在發(fā)送CMD0時(shí)將CS置0，然后讀取SD卡的響應(yīng)，如果為01，則繼續(xù)發(fā)送命令CMD1，如果不是01，則重新進(jìn)行74個(gè)時(shí)鐘延遲，重新發(fā)送CMD0。如果CMD1的響應(yīng)為00，則說明初始化成功。其流程圖如圖3所示。

圖3 SD卡初始化流程圖

　　SD卡支持單塊(命令字為CMD17) 和多塊(命令字為CMD18) 讀操作。多塊讀操作指的是從制定的位置開始讀，直到SD卡接收到一個(gè)停止命令(命令字為CMD12) 才停止讀操作。單塊的讀操作數(shù)據(jù)塊的長度只能是512字節(jié)。

　　本設(shè)計(jì)采用的流程圖如圖4所示，操作時(shí)，可首先向SD卡發(fā)送讀數(shù)據(jù)塊的命令字CMD17, 在接收到SD卡的響應(yīng)信號(hào)(0X00) 后，再根據(jù)默認(rèn)起始地址(0xFE), 然后讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù), 并后跟兩字節(jié)的CRC校驗(yàn)，當(dāng)發(fā)送CMD12時(shí)終止讀操作。

圖4 SD卡讀操作流程圖

　　四. 基于FPGA的SDI接口的研究與開發(fā)

　　SDI接口是一種基于標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻格式的串行數(shù)字接口，傳送4:2:2串行數(shù)字分量信號(hào)，傳輸速率高達(dá)270Mbps。SDI接口硬件電路由電源電路、均衡器clc014、串并轉(zhuǎn)換芯片CLC011、驅(qū)動(dòng)器clc007、并串轉(zhuǎn)換芯片cy7b9234、Cyclone III EP3C25Q240等芯片組成。

　　本文在FPGA平臺(tái)上完成如圖5所示功能，由SRAM讀出10bit并行數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO，F(xiàn)IFO的讀時(shí)鐘，讀使能、寫時(shí)鐘、寫使能可以分別控制；FIFO讀出的10bit并行數(shù)據(jù)進(jìn)入編碼器，進(jìn)行擾碼和生成NRZI碼，輸出的10bit并行數(shù)據(jù)進(jìn)入SDI模塊的并串轉(zhuǎn)換，從而完成SDI的輸出。

圖5 本課題原理圖

　　YUV4：2：2格式中每個(gè)像素16位，F(xiàn)OURCC（Four Character Code）碼為UYVY，其中每個(gè)像素都是編碼為四個(gè)連續(xù)字節(jié)的兩個(gè)像素。這樣會(huì)使得色度水平下采樣乘以系數(shù)2。此格式，色度字節(jié)和亮度字節(jié)是翻轉(zhuǎn)的，如圖6。

圖6 UYVY內(nèi)存布局

　　本文按照YUV 4：2：2的格式的文件存儲(chǔ)，計(jì)算得出每行的抽樣點(diǎn)為1728（864*2）個(gè)，一共[page]625行。在程序開始先設(shè)置一個(gè)行、列的循環(huán)累加的程序，隨著時(shí)鐘上升沿的到來，列數(shù)（cnt_line）就會(huì)自動(dòng)加1，等加到1728的時(shí)候cnt_line回到1，而行數(shù)（cnt_row）會(huì)加1，如此一來便可以方便的對每一幀圖像每行每列的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。

　　在行消隱期間，留出了8個(gè)數(shù)據(jù)字的位置，用來傳送定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)。對于625/50掃描標(biāo)準(zhǔn)，EAV的位置是字1440-1443，SAV的位置是1724-1727。每個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)由4個(gè)字組成，這4個(gè)字的數(shù)列可用16進(jìn)制計(jì)數(shù)符號(hào)表示為：3FF 000 000 XYZ。前三個(gè)字3FF、000和000是固定前綴，作為定時(shí)標(biāo)志符號(hào)，只為SAV和EAV同步信息的開始做出標(biāo)志。XYZ代表一個(gè)可變的字，它包括確定的信息：場標(biāo)志符號(hào)；垂直消隱的狀態(tài)；行消隱的狀態(tài)。圖7描繪出625/50掃描標(biāo)準(zhǔn)的每楨定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)的位置。

圖7 625/50掃描標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)位置

　　XYZ為10bit的字，其中比特0和比特1定為二進(jìn)制數(shù)0，以便與8比特量化接口兼容，比特9是1，比特6、7、8是可變二進(jìn)制數(shù)，分別用H、V、F表示。F是場標(biāo)志符，F(xiàn)=0表示在第一場期間；F=1表示在第二場期間。V是垂直消隱標(biāo)識(shí)符，V=0表示有效場期間；V=1表示場消隱期間。H是行消隱標(biāo)識(shí)符，H=0表示有效行開始出（SAV）；H=1表示有效行結(jié)束處（EAV）。

　　字XYZ中的比特2、3、4、5的值也是可變的，他們?nèi)Q于比特F、V、和H的值，可對F、V、H進(jìn)行2比特誤差檢測以及1比特誤差校正，表1表明了P0、P1、P2、P3與F、V、H間的關(guān)系。

　　因此，本設(shè)計(jì)在第1440和第1724列發(fā)送3AA(1111111111)，第1441、1442、1725、1726列發(fā)送000（0000000000），在第1727列按照圖6所示發(fā)送其相應(yīng)的SAV，在第1443行按照圖7所示發(fā)送相應(yīng)的EAV。從第0列到第1439列按照Cb、Y、Cr順序發(fā)送有效數(shù)據(jù)。在場消隱和行消隱期間，沒有用于傳送輔助數(shù)據(jù)的對應(yīng)Y樣點(diǎn)的字必須賦予16進(jìn)制040，對應(yīng)Cb和Cr樣點(diǎn)的字必須賦予16進(jìn)制數(shù)200。

　　本文編碼部分由FPGA來實(shí)現(xiàn)，在編碼模塊里設(shè)置了2個(gè)模塊，倍頻模塊和FIFO模塊。倍頻模塊完成對27MHz輸入信號(hào)進(jìn)行10倍頻處理，然后按照擾碼編碼原理進(jìn)行編碼，編碼是按并行數(shù)據(jù)的每一比特位進(jìn)行的，在編碼模塊的輸出端是進(jìn)行擾碼后的10bit并行數(shù)據(jù)。

　　五. 小 結(jié)

　　本文完成了信號(hào)源的設(shè)計(jì)和測試方法的研究，并完成了信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)。最終實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)中生成的監(jiān)視器測試信號(hào)輸入到本硬件板卡上，再通過SDI接口輸出，顯示到數(shù)字監(jiān)視器上。根據(jù)GY/T 11-092“廣播用圖像監(jiān)視器技術(shù)要求”中關(guān)于監(jiān)視器性能要求，由光電轉(zhuǎn)換裝置以及示波器完成相應(yīng)參數(shù)的測試。

　　本文中針對各個(gè)測試指標(biāo)建立以YUV4：2：2 10bit的數(shù)字監(jiān)視器測試信號(hào)源，然后用PC將SD卡格式化為fat格式或fat32格式，再將信號(hào)源存入SD卡中；本課題設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)兼容FAT12/16/32 三種文件系統(tǒng)，能夠自動(dòng)識(shí)別、區(qū)分和處理。

　　本文雖然實(shí)現(xiàn)了對SD卡的讀取以及由SDI接口輸出到監(jiān)視器上，但實(shí)時(shí)性上尚未達(dá)到滿足視頻實(shí)時(shí)播出的效果，比如在測量亮拖尾和暗拖尾時(shí)需要播放視頻測試文件等。本課題將無法完成相應(yīng)的測試工作，隨著SD卡本身讀取速度的提高以及我們在程序上對SRAM的讀取控制的精確性的提高，是可以實(shí)現(xiàn)對SD卡視頻文件讀取的實(shí)時(shí)播出的。B&P