摘要
Autotestcon 2010的主旨“45年的支持創(chuàng)新——以光速前進”，這個主旨對軍用ATE系統(tǒng)是非常有意義的，因為它強調(diào)努力保持二分法的最先進的測試能力，同時需要支持傳統(tǒng)的老技術 – 可能是幾十年，像Autotestcon本身一樣長久。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(tǒng)呈現(xiàn)出獨特的挑戰(zhàn)。
上個世紀部署的系統(tǒng)，使用CRT監(jiān)視器向技術人員或操作人員提供顯示信息。這些監(jiān)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，National Television Standards Council）、PAL（逐行倒相制式，Phase Alternating Line）和其他相似的標準。現(xiàn)今，DVI與HDMI數(shù)字視頻廣泛使用，很難找到商用CRT監(jiān)視器了。但是在老舊的部署系統(tǒng)中CRT監(jiān)視器依舊被廣泛使用。
本篇文檔是一個應用案例，使用基于PXI的儀器生成NTSC與PAL制式的簡單彩條信號，用于支持Mini Samson或Katlanit遠程控制武器站。通過集成現(xiàn)成的PXI FPGA板卡與在公共領域與少數(shù)商用領域可用的知識產(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(jiān)視器的模擬與數(shù)字視頻信號。此種解決方案的靈活性步進可以滿足原始的基本需求 - 生成彩條碼型信號，還可以通過擴展包括更多復雜的測試碼型。
關鍵字：視頻信號發(fā)生器，PXI視頻信號發(fā)生器，F(xiàn)PGA
概覽
Rafael系統(tǒng)部門在1990年代開發(fā)了Samson遠程控制武器站（RCWS，Remote Controlled Weapon Station）[1]，這是一個可令大量設備自動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，40mm自動榴彈發(fā)射器，反坦克飛彈與觀察哨。Samson遠程控制武器站的一種變體形式，稱為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被指派搭建一個用于測試Katlanit遠程控制武器站組件的測試系統(tǒng)。TS-230測試系統(tǒng)可全方面地對Katlanit武器系統(tǒng)進行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(tǒng)的計算機，用于監(jiān)測機槍與載具的相對位置，根據(jù)載具類型不同判斷不能進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(qū)動命令。DU是RCWS瞄準的控制與顯示單元，同時也顯示這些單元的圖像數(shù)據(jù)。GCHU是通過遙桿控制CU，由操作人員控制點火射擊。
原始的測試需求要求使用定制的DU接口測試盒進行手動測試。純手動的測試系統(tǒng)的設計令集成度更加復雜，系統(tǒng)交互有限。未來的測試系統(tǒng)要求彩條信號發(fā)生器能夠提供標準的NTSC或PAL制式視頻信號進行DU自動測試。TS-230測試系統(tǒng)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接口測試盒將會被淘汰，同時也會實現(xiàn)DU測試的完全自動化，提高測試能力，避免不必要的手動操作。
方案實施
通過集成多款COTS（Commercial Off-The-Shelf）與控制軟件，提供一個靈活、且低成本的解決方案，可用于測試傳統(tǒng)的NTSC與PAL制式視頻信號，也可用于測試VGA監(jiān)視器。測試系統(tǒng)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密度外，GX3500也是此類應用的理想平臺，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用途。
GX3500 FPGA板卡
GX3500的公共是多樣的，為本應用提供了一個現(xiàn)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（稱為PXI Interface FPGA）專用于連接至PXI總線，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（稱為Cyclone III），幾乎是完全預留用于用戶的特定應用，Cyclone III的一小部分等效邏輯門資源用于連接另一塊PXI Interface FPGA。通過PXI Interface FPGA將PXI總線與Cyclone III相連，在Cyclone III內(nèi)部就不需要集成PCI IP核了，節(jié)省了開發(fā)時間并且為用戶的特定應用（在本方案中就是視頻信號發(fā)生器）節(jié)省了大量的等效邏輯門。可使用Altera的 Web版Quartus II軟件 進行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)生器的關鍵是Altera提供的開源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的視頻數(shù)據(jù)，為擴展板卡中的DAC提供像素時鐘；還具有內(nèi)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(shù)據(jù)或者像素數(shù)據(jù)通過三個顏色（紅、綠、藍）通道傳輸，每通道分辨率10 bit。傳輸?shù)揭曨lDAC的數(shù)據(jù)通過VGA IP生成的像素時鐘實現(xiàn)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(nèi)部內(nèi)存儲存一個完整的640 x 480 VGA圖像，所以在擴展板卡上安裝了一個外部512Kb x 32 SRAM（Static Random Access Memory）。通過集成在視頻IP核中的內(nèi)存管理器單元控制SRAM。只要將一個位圖圖像寫入到SRAM中，就會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(shù)模轉換器，由Analog Devices公司提供。包括三個高速、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(tǒng)兼容，比如NTSC（RS-170A）。
RGA數(shù)據(jù)，VGA IP核接口至ADV7123的同步與消隱控制和像素時鐘同步，像素時鐘由IP核提供。像素時鐘是通過圖像（640 x 480）的水平與垂直分辨率、刷新率（60 Hz）、回掃時間或消隱因素（0.8）經(jīng)過簡單的計算得出的。對于640 x 480的圖像，像素時鐘為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、通用的RGA-NTSC/PAL編碼器，此款編碼器根據(jù)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(shù)據(jù)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IP核以奇數(shù)/偶數(shù)交錯形式饋送圖像數(shù)據(jù)至編碼器。編碼器要求時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。這些時鐘由專用的晶體振蕩器生成，以保證穩(wěn)定性，并由FPGA控制的多路復用器進行選擇。像素時鐘與視頻DAC的其他定時參數(shù)可進行適當?shù)某炭匾詽M足NTSC或PAL制式的不同分辨率需求。圖2為安裝了滿足特定應用需求的擴展板卡的PXI FPGA模塊。
軟件
通過讀寫Cyclone III的多個控制寄存器實現(xiàn)對視頻信號發(fā)生器硬件的控制。底層驅(qū)動庫提供一些函數(shù)，調(diào)用這些函數(shù)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(qū)動庫以DLL形式發(fā)布，易于與任何基于Windows的編程語言集成。其中一個函數(shù)，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行顯示。函數(shù)訪問BMP圖像文件的路徑與名稱，并將24 bit BMP圖像（每個顏色通道8 bit）轉換為30 bit（每個顏色通道10 bit），將數(shù)據(jù)向左移動2 bit以另10 bit碼型的MSB對齊——有效地填充每個10位顏色通道的兩個LSB。集成了視頻測試碼型發(fā)生器的測試系統(tǒng)如圖3。高層控制包括預定義測試碼型，可以通過主機選擇并加載至視頻信號發(fā)生器。用戶可選視頻標準VGA、NTSC或PAL，軟件會設置相應的控制寄存器。
總結
利用現(xiàn)今的技術與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(tǒng)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。