1、 基于 AVR 单片机的电视标准制式图像发生器 Based on AVR monolithic integrated circuit television standard service pattern image generator 摘 要 由于电视技术的快速发展，目前视频信号叠加、图像处理已广泛运用于生活的各种场合。为了可以获得更好的图像的采集和处理，嵌入式微处理器被越来越广泛地应用。 AVR 单片机是由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的精简指令集高速 8 位单片机 。它也是嵌入式微处理器的一种类型，嵌入式微处理器在运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面得
2、到了突飞猛进的发展。 AVR 由于其全新的硬件设计和高效的 C 编译效率 ,使其具有强大的功能，完全可以满足黑白全电视信号产生的要求。 本课题利用 AVR系列的 Mega16单片机的定时功 能产生视频信号、同步信号 ,并将同步信号和视频信号合成为模拟全电视信号，实现电视制式逐行扫描图像的生成。 关键词： AVR 电视制式 同步信号 视频信号 图像发生器ABSTRACT As a result of the television technology fast development, the video signal superimposition, the imagery processin
3、g widely have utilized at present in life each kind of situation. In order to may obtain a better image gathering and processing, the embedded microprocessor more and more widely is applied. The AVR monolithic integrated circuit is in the enlargement mode which researches and develops by ATMEL Corpo
4、ration sets at Flash to simplify the set of instructions high speed 8 monolithic integrated circuits. It is also one kind type of embedded microprocessor in the operating speed, expand aspects and so on , system reliability, power loss and integration rate obtained the development which progressed b
5、y leaps and bounds. AVR as ar its brand-new hardware design and highly effective C translation efficiency, enable it to have the formidable function, definitely may satisfy the request which the black and white entire television signal produces. The topic using AVR series of Mega16 which produces th
6、e video signal, the synchronized signal, it simulates the synchronized signal and the video signal synthesis the entire television signal, realizes the TV service pattern by the line scan image production. Key words: AVR, television service pattern, synchronized signal, video signal image generator
7、I 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 论文目的 . 1 第二章 电视简介 . 2 2.1电视基本原理及制式 . 2 2.2电视术语 . 3 2.3 视频信号的组成 . 3 第三章 AVR MEGA16 单片机介绍 . 11 3.1 AVR 单片机概述 . 11 3.2 AVR 单片机硬件介绍 . 12 3.3. AVR 单片机的开发 . 17 第四章 电视标准制式图像发生器 . 21 4.1 总体设计 . 21 4.2 硬件设计 . 21 4.3 软件设计 . 23 4.4 实验及结果 . 30 结 论 . 32 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 331
8、 第一章 绪 论 1.1 引言 由于嵌入式系统应用技术的不断发展，对于核心处理器性能的要求越来越高，一些传统控制芯片已经难以胜任许多复杂的任务。由于种种原因，国内科研人员比较习惯于使用传统的 51 系列单片机设计应用系统，而这种选择常带来种种限制，甚至影响到整个系统的性能水平。随着微控制器技术的快速发展，国外的工程师近几年来已经较少有人使用 51 系列开发新产品。因此，我们有必要紧跟电子技术发展的前沿，研究单片机技术的最新进展，熟悉新型高性能芯片的性能，掌握其应用技巧，为设计出有竞争力的高性价比的高端嵌入式系统创造条件。 1.2 论文目的 近年来单片机技术得到快速发展，出现了一批新型高性能单片
9、机，为高端应用提供了选择空间， ATMEL 公司的 AVR 系列单片机就是其中的一种。独特结构的 8-bit RISC CPU 与在线自编程 Flash 的结合，单时钟指令，为 C 语言优化的指令系统设置，以及丰富的片载外围接口电路，使功能强大的 AVR 单片机成为一款高度灵活和高性价比的芯片，为许多高端嵌入式系统设计提供了优秀的解决方案。本课题利用Mega16 单片机的定时器中断产生视频信号、同步信号，利用其高速度进行像素填充，实现图像信号的生成。将视频信号和同步信号通过视频DAC 系统合成为全电视信号，通过示波器查看信号的正确与否。本设计的主要工作量在于单片机编程，这里采用了 ICCAVR
10、 编译器，并用 C 语言作为编程语 言，来实现电视制式图像的生成。本论文涉及到的系统设计方案，充分发挥了这种芯片的优良性能。比照使用 51 系列单片机，简化了硬件设计，提高了系统性能，并预留出充足的扩展空间。 2 第二章 电视简介 2.1 电视基本原理及制式 2.1.1 电视基本原理 电视的基本工作原理可以简单概括为：在发送端，用电视摄像机拍摄外界景物，经摄像器件的光电转换作用将景物内容的亮度和色度信息按一定规律变换成相应的电信号，作适当处理后通过无线电波或有线信道传输出去；在接收端，用电视接收机接收电视信号，经显示装置的电光转换作用后，将电视信号 按对应的空间关系转换成相应的景物画面，即在屏
11、幕上重现原始景物的彩色画面。 2.1.2 电视制式 电视的制式就是对电视信号进行加工、处理和传输的约定方式。目前，有三种彩色和黑白兼容的电视制式： NTSC 制、 PAL 制和 SECAM 制。NTSC 制式主要应用在中南美洲和亚洲的部分国家， PAL 制式在亚洲和欧洲应用广泛， SECAM 制式主要用于法国及非洲。 为了克服 NTSC制的相位敏感性 ,1962年德国研究出了一种 PAL制，又叫 “ 逐行导相正交平衡调幅制 ” 。它是在 NTSC 基础上，又对一个色差信号（ R-Y）进行逐行导相的处理。西 欧 、 英国和我国等采用此种制式。 PAL 扫描方式以 2:1隔行扫描 ,每帧图像由两场
12、组成，每场为 312.5行主要参数如下 :场频为 50Hz,每帧 625 行，行频为 15625Hz，行周期为 64 s,场周期为 20ms, 场逆程时间 25H(1.6ms),H 为行周期，行逆程时间为 11.8us。 3 2.2 电视术语 1. 图像帧 电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像是由许多像素组成的 2. 扫描 将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或逆过程）称为扫描。扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似。从左至右的扫描称为行扫描；自上而下的扫描称为帧 (或场 )扫描。电视系统中，扫描多是由电子
13、枪进行的，通常称其为电子扫描。 3. 隔行扫描 所谓隔行扫描，就是在每帧扫描行数不变的情况下，将每帧图像分为两场来传送，这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送 1、 3、 5、奇数行；偶数场传送 2、 4、 6、偶数行。世界各国大多采用隔行扫描的 PAL 的隔行扫描。 4.扫描行数 图像的清晰度，图像信号的带宽都与扫描行数有关。通常，扫描行数越多，分解成的图像像素数越多，原图像的细节就呈现得越清晰， 但带宽也会急剧增加，于是在一定波段中可安排的电视频道数目减少。 所以 ,扫描行数是一个很重要的指标。 5.顺序制传送 按一定顺序将一个个像素的光学信息轮流转换成电信号，用一条传输通道依次传送出去，在
14、接收端的屏幕上再按同样的顺序将电信号在相应的位置上转换成光学信息。 2.3 视频信号的组成 电视为了重现图像，必须传送图像信号 :为了消去行、场扫描的回扫线，使其少干扰正常的图像，必须传送行、场消隐信号 :为了保证扫4 描的同时，必须传送复合同步信号。为了让这三种信号能用一个通道传送，在接收端可以方便地将它们分开，必须在发送端按一定规律将这三种信号组合起来，这个合成信号称为黑白全电视信号。黑白全电视信号由图像信号、复合同步信号和复合消隐信号组合而成。 为了使三者相互少干扰 ,并且在接收端能够方便可靠地进行分离，黑白全电视信号按下列形式组成 : (1)图按排在行、场扫描的正程，复合消隐和复合同步
15、信号安排在行、场 扫描的逆程。 (2)图像信号位于白色和黑色电平之间，复合消隐信号的电平规定比黑色电平稍黑。消隐电平和图像黑色电平之差 称为黑色电平提升。图 2-1 为一行全电视信号。 图 2-1.一行全电视信号 从中可见，图像信号、行消隐信号、行同步信号三者在时间与幅度上的差别 :黑色电平提升量 D等于消隐电平与白色电平差值 70%的 0.5% (3)复合同步电平比复合消隐电平具有更黑的电平，即“比黑还黑”。这样复合同步信号与图像信号、消隐信号在幅度上有较大的差别，便于在接收端用简单的限幅器 (即同步分离级 )，从全电视信号中分离出复合同步信号。图像信号和复合消隐信号小必要再分开，可以直接送
16、给显像管作为图像信号使用。如图 2-2，全电视信号山图像信号、消隐信号和5 同步信号组成。顺序的规定为 :第一个齿脉冲的前沿即同步的前沿又兼为行同步的前沿规定为第一场 (奇数场 )起始点，扫描行序号从此计起。计到第 312.5 行第一场结束，第一场开始，直到第 625 行，完成一帧。25H的场消隐期间 (H 为一行扫描所需的时间 )，有 17行空闲，可传送特定的测试行信号、台标信号、标准时间、标准频率、业务数据和图文电视等。 图 2-2.全电视信号示意图 综上所述，黑白全电视信号具有三大特征：周期性、单极性和脉冲性。由于电视采用周期性的扫描，所以电视信号具有明显的行、场周期性或准周期性。由于图
17、像亮度只有正值而无负值；所以电视信号是单极性的。电视信号的脉冲性表面为两点：其一，图像信号本身是一系列象素所产生的电脉冲信号组 合而成的。其二，复合消隐和复合同步信号都是周期性的脉冲信号。 2.3.1 图像信号 图像信号是携带着一行行、一场场景物信息的电信号，通常它是由摄像管产生的。怎样画出某些特殊图像的信号波形呢？依据有两点： (1)摄像管经电子束扫描将一幅图像的亮度分布进行象素分解，使之转变成6 按逐行逐场时间顺序排列的电信号。 (2)摄像管某时刻输出的电流信号正比于该时刻电子束所扫描象素的亮度大小。例如电视台每天播发的一幅八条从白到黑宽度相等的垂直条图像，如图 2-3（ a）所示，其特点
18、是：只有水平方向变化，而无垂直方向变化，所以它是 按行周期变化的。按照信号幅度正比于亮度大小的原则画出一行的信号波形如图 2-3（ b）所示。由于图 2-4（ a）所示的只有垂直方向变化，而无水平方向变化，显然它是按场周期变化的。采用类似方法画出一场的信号波形如 2.4(b)。 图 2-3 垂直条图像信号 图 2-4 水平条图像信号 由上两例可见，因为图像亮度只有正值而无负值，所以图像信号也是单极性的。黑色的信号电平对应为零，灰色和白色的信号电平都是正值而无负值。图像信号的极性在电路传送与处理过程中是经常变化的，如电路某处为正极性，经过一次放大倒相后，就变成负极性的了。为了方便起见，有如下规定：若图像越亮，信号电平越高，则称为正极性图
