基于AVR单片机的电视标准制式图象发生器.docx
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基于AVR单片机的电视标准制式图象发生器
基于AVR单片机的电视标准制式图像发生器
BasedonAVRmonolithicintegratedcircuittelevisionstandardservicepatternimagegenerator
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
Asaresultofthetelevisiontechnologyfastdevelopment,thevideosignalsuperimposition,theimageryprocessingwidelyhaveutilizedatpresentinlifeeachkindofsituation.Inordertomayobtainabetterimagegatheringandprocessing,theembeddedmicroprocessormoreandmorewidelyisapplied.
TheAVRmonolithicintegratedcircuitisintheenlargementmodewhichresearchesanddevelopsbyATMELCorporationsetsatFlashtosimplifythesetofinstructionshighspeed8monolithicintegratedcircuits.Itisalsoonekindtypeofembeddedmicroprocessorintheoperatingspeed,expandaspectsandsoon,systemreliability,powerlossandintegrationrateobtainedthedevelopmentwhichprogressedbyleapsandbounds.AVRasaritsbrand-newhardwaredesignandhighlyeffectiveCtranslationefficiency,enableittohavetheformidablefunction,definitelymaysatisfytherequestwhichtheblackandwhiteentiretelevisionsignalproduces.
ThetopicusingAVRseriesofMega16whichproducesthevideosignal,thesynchronizedsignal,itsimulatesthesynchronizedsignalandthevideosignalsynthesistheentiretelevisionsignal,realizestheTVservicepatternbythelinescanimageproduction.
Keywords:
AVR,televisionservicepattern,synchronizedsignal,videosignalimagegenerator
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-bitRISCCPU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。
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64μs,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。
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，则称为正极性图像信号。
反之若信号电平随着图像亮度的增加而降低，则称为负极性图像信号。
上述两例所对应的负极性图像信号分别如图2-3（c）和图2-4（c）所示。
2.3.2 消隐信号
消隐信号在摄像设备中是防止扫描束在逆程检取光电信号，在显像设备中是防止扫描的逆程在屏路上显出光迹、混淆图像。
一般摄像设备的消隐时间小于显像设备的消隐时间。
例如广播电视摄像机就利用行脉冲、场脉冲作消隐信号。
行脉冲宽7.7微秒，场脉冲宽9行至15行周期，见图2-5，其中H表示一行的周期。
图2-5推动脉冲信号
广播电视送给接收机的消隐信号比较长，这是为了保护同步信号，和允许接收机有稍长的逆程时间。
行消隐与场消隐组合成一个复合消隐信号，其中行消隐宽12微秒，场消隐宽约25行周期；它们具有一样的电平，见图2-6。
上下两列波形的差别在于行场消隐的相对时间（位置）
图2-6复合消隐信号
错开半行周期，这是隔行扫描所决定的。
由于给显像设备的消隐信号时间宽度比摄像的消隐时间长，所以接收机屏幕显示的场面比摄像的场面小。
这里场面的意思是对原景范围来说，而不是指屏幕尺寸。
在摄像机的寻象器上显示出摄取到的场面，寻象器屏幕上还刻有一个矩形框指示播出的幅面（场面）大小。
接收机显像屏幕能显示的最大场面，是由复合消隐信号的时间参数决定的。
从工作时间效率的角度上看，消隐是个消极因素，然而消隐信号能提供固定的基准电平，这对于正确重显亮度层次又是极为重要的，是积极的作用。
消隐基准电平是应用钳位技术的前提。
为了避免失真，在调制显像器件的，必须恢复信号的平均电平，消隐电平可以作为一个参考基准。
因此，消隐信号对图像的幅面、亮度特性都是有作用的。
2.3.3 同步信号
当同步信号与图像信号分别传送时，同步信号就可以用图２－５所示的脉冲信号，行脉冲、场脉冲各自专线馈送，各不相干。
实际上经常把行同步、场同步与复合图像信号混合成为全电视信号，一起传送给接收显像设备。
广播电视就必须采用这种方式。
同步信号的设计必须考虑它对图像的影响，在显像设备中分离同步信号的方便，使用的可靠。
把同步信号挤在消隐期内传送，可以不再降低电视系统的时间利用效率。
为了使显像设备能直接利用全电视信号来调制显像，同步信号不应在屏幕上显示出任何光迹。
同步信号以脉冲形式加在消隐电平上，它的极性与图像信号极性相反，这意味着同步电平比黑电平“更黑”。
同步信号幅度与图像信号幅度之比为三比七，在全电视信号中成为三七开。
复合同步脉冲信号包括行同步信号和场同步信号。
行同步信号用来控制行扫描，在发送端每行结束时，发出一个行同步脉冲，接收机收到这个脉冲后，立刻结束一行的扫描而开始回扫。
同样，场同步信号用来控制接收机场扫描的回扫。
行、场扫描的逆程期间传送同步信号，这样，同步脉冲就不会在屏幕上显示出来。
为了便于在接收端将行同步脉冲与场同步脉冲分离，这两种脉冲的宽度不同。
行同步脉冲的宽度是4.7μｓ，场同步脉冲的宽度2.5Ｔh（Ｔh为行周期,Ｔh＝64μｓ）即为160μｓ。
复合同步信号的波形如图2-7所示
图2-7复合同步信号波形
行同步脉冲叠加在行消隐脉冲上，宽度为4.7us，脉冲前沿比行消隐脉冲前沿迟后1.5us，形成行消隐前肩；并在行同步之后有一个5.8us的行消隐后肩，消隐后肩可以提供基准的消隐电平。
如图2－8所示。
一行的起始时刻从行同步的前沿为基准开始计时的，是以行同步前沿时刻开始行扫描电流逆程的。
图2-8行同步脉冲
场同步脉冲叠加在场消隐脉冲上，宽度为2.5H＝160us，其前沿比场消隐前沿迟后2.5H=160us。
场同步规定为一场图像信号的起始时刻，控制场扫描逆程开始。
如图2－9所示。
图2-9场同步脉冲
由于奇偶场同步脉冲与其紧密相邻的前面的行同步脉冲有间隔为H和H/2之分，会导致奇偶场积分起始电平有差异，使奇偶场时间间隔不同，为保证隔行扫描良好，将宽160us的场消隐前肩上的行同步改为每半行一个宽度为2.35us的5个前均衡脉冲，它们在场同步脉冲前起到缓冲作用，保证隔行扫描光栅精确镶嵌。
同时，均衡脉冲的前沿仍可给出行同步信息。
在场同步脉冲后加入5个后均衡脉冲。
第三章ATmega16单片机介绍
3.1AVR单片机概述
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC（ReducedInstructionSetCPU）精简指令集高速8位单片机，广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
AVR单片机的片内资源很丰富，其包括:
128K字节可下载的FLASH存储器、4K字节的EEPROM,4K字节的RAM,32条通用的I/0线、32个通用工作寄存器、模拟比较器、定时/计数器、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、SPI串行口、10位A/D转换器以及闲置模式和掉电模式2个可选择的省电模式等。
其在指令执行速度、保密性等方面都明显优于其他类型的单片机，AVR单片机内置的FLASH存储器支持在线下载和在系统编程工作，操作很方便。
AVR单片机系列齐全，可适用于各种不同场合的要求。
分为3个档次:
低档Tiny系列AVR单片机:
主要有Tinyll/12/13/15/26/28等;中档AT90S系列AVR单片机:
主要有AT90S1200/2313/8515/8535等;（此系列正在淘汰或转型到Mega系列中）高档ATmega系列AVR单片机:
主要有ATmega8/16/32/64/128（存储容量为8/16/32/64/128KB）以及ATmega8515/8535等。
本设计采用的Atmega16单片机是AVR单片机中的高档机型，是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，其具有先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，Atmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，缓解了系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
相对于中低档的AVR单片机，Atmega16对定时/计数器及预分频器、外部存储器接口、电源管理、SPI和IJART等方面都做了一定的改进，克服了中、低档机存在的不足，从而更加适用于工业控制、家电等方面的应用，本设计采用此类机型的目的就是为了跟上AVR单片机机型的更新速度。
3.2AVR单片机硬件介绍
3.2.1Atmega16引脚
图3-1芯片引脚
引脚说明：
VCC数字电路的电源
GND地
端口A（PA7..PA0）端口A做为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
端口B（PB7..PB0）端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊能。
端口C（PC7..PC0）端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。
端口D（PD7..PD0）端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
RESET复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2反向振荡放大器的输出端。
AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时，该引脚直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREFA/D的模拟基准输入引脚。
3.2.2ATmega16功能简介
1.作为通用数字I/O的端口
Mega16的通用数字I/O端口是具有可选上拉电阻的双向I/O端口。
每个端口引脚都有三个寄存器位：
DDRxn、PORTxn和PINxn。
DDRxn位于DDRx寄存器，PORTxn位于PORTx寄存器，PINxn位于PINx寄存器。
DDxn用来选择引脚的方向。
当DDRxn设置为“0”时，对应的I/O口设为输入。
当引脚配置为输入时，若PORTxn为“1”，上拉电阻将使能。
如果需要关闭这个上拉电阻，可以将PORTxn清零，或者将这个引脚配置为输出。
若DDRxn设置为“1”时，对应的I/O口设为输出。
当引脚配置为输出时，若PORTxn为“1”，引脚输出高电平（“1”），否则输出低电平（“0”）。
不论如何配置DDRxn，都可以通过读取PINxn寄存器来获得引脚电平。
PINxn寄存器的各个位与其前面的锁存器组成了一个同步器，这样就可以避免在内部时钟状态发生改变的短时间范围内，由于引脚电平变化而造成的信号不稳定。
其缺点是引入了延迟。
需要注意的是，如果设置某一个端口为输出，需要延时一个机器周期才能读取到正确的输出值。
系统复位后，所有的I/O端口设置为输入，且内部上拉使能。
端口引脚配置：
DDxn
PORTxn
PUB（INSFOIR）
I/O
上拉电阻
说明
0
0
X
INPUT
NO
高阻态（HI-Z）
0
1
0
INTPUT
YES
被外部电路拉底时将输出电流
0
1
1
INPUT
NO
高阻态（HI-Z）
1
1
X
OUTPUT
NO
输出底电平（吸收电流）
1
1
X
OUTPUT
NO
输出高电平（输出电流）
图3-2端口引脚配置
2.外部中断
外部中断通过引脚INT0、INT1与INT2触发。
只要使能了中断，即使引脚INT0..2配置为输出，只要电平发生了合适的变化，中断也会触发。
这个特点可以用来产生软件中断。
通过设置MCU控制寄存器MCUCR与MCU控制与状态寄存器MCUCSR，中断可以由下降沿、上升沿，或者是低电平触发（INT2为边沿触发中断）。
当外部中断使能并且配置为电平触发（INT0/INT1），只要引脚电平为低，中断就会产生。
若要求INT0与INT1在信号下降沿或上升沿触发，I/O时钟必须工作，如P22“时钟系统及其分布”说明的那样。
INT0/INT1的中断条件检测INT2则是异步的。
也就是说，这些中断可以用来将器件从睡眠模式唤醒。
在睡眠过程（除了空闲模式）中I/O时钟是停止的。
通过电平方式触发中断，从而将MCU从掉电模式唤醒时，要保证电平保持一定的时间，以降低MCU对噪声的敏感程度。
电平以看门狗的频率检测两次。
在5.0V、25°C的条件下，看门狗的标称时钟周期为1µs。
看门狗时钟受电压的影响，具有“电气特性”。
只要在采样过程中出现了合适的电平，或是信号持续到启动过程的末尾，MCU就会唤醒。
启动过程由熔丝位SUT决定，如P22“系统时钟及时钟选项”所示。
若信号出现于两次采样过程，但在启动过程结束之前就消失了，MCU仍将唤醒，但不再会引发中断了。
要求的电平必须保持足够长的时间以使MCU结束唤醒过程，然后触发电平中断。
3.位定时器/计数器
16位的T/
升级会员 