Autotestcon 2010的主旨“45年的支持創(chuàng)新——以光速前進(jìn)”，這個主旨對軍用ATE系統(tǒng)是非常有意義的，因為它強(qiáng)調(diào)努力保持二分法的最先進(jìn)的測試能力，同時需要支持傳統(tǒng)的老技術(shù) – 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(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(tǒng)呈現(xiàn)出獨(dú)特的挑戰(zhàn)。
上個世紀(jì)部署的系統(tǒng)，使用CRT監(jiān)視器向技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)的，比如RS170、NTSC（國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會，National Television Standards Council）、PAL（逐行倒相制式，Phase Alternating Line）和其他相似的標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)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(yuǎn)程控制武器站。通過集成現(xiàn)成的PXI FPGA板卡與在公共領(lǐng)域與少數(shù)商用領(lǐng)域可用的知識產(chǎn)權(quán)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(jìn)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(kuò)展包括更多復(fù)雜的測試碼型。
概覽
Rafael系統(tǒng)部門在1990年代開發(fā)了Samson遠(yuǎn)程控制武器站（RCWS，Remote Controlled Weapon Station）[1]，這是一個可令大量設(shè)備自動操作或遠(yuǎn)程控制的武器平臺，支持的武器包括5.56mm、7.62mm和12.7mm機(jī)槍，40mm自動榴彈發(fā)射器，反坦克飛彈與觀察哨。Samson遠(yuǎn)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(yuǎn)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(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(tǒng)的計算機(jī)，用于監(jiān)測機(jī)槍與載具的相對位置，根據(jù)載具類型不同判斷不能進(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(qū)動命令。DU是RCWS瞄準(zhǔn)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(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)行手動測試。純手動的測試系統(tǒng)的設(shè)計令集成度更加復(fù)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(biāo)準(zhǔn)的NTSC或PAL制式視頻信號進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(yīng)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(kuò)展板卡，在本解決方案中就利用了擴(kuò)展板卡的這兩個用途。
圖1 基于GX3500的視頻碼型發(fā)生器結(jié)構(gòu)
GX3500 FPGA板卡
GX3500的公共是多樣的，為本應(yīng)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(yù)留用于用戶的特定應(yīng)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(yīng)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(jìn)行GX3500的Cyclone III FPGA邏輯設(shè)計，此軟件完全免費(fèi)，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提供的開源VGA控制器IP核[3]。本項目的最初目的是生成NTSC與PAL復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)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(kuò)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(lán)）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(kuò)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(yùn)行狀態(tài)。
視頻DAC（ADV7123）
ADV7123是一款三通道、高速、數(shù)模轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)將紅、綠、藍(lán)彩色信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)用器進(jìn)行選擇。像素時鐘與視頻DAC的其他定時參數(shù)可進(jìn)行適當(dāng)?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(yīng)用需求的擴(kuò)展板卡的PXI FPGA模塊。
圖2 3U PXI視頻信號發(fā)生器模塊
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(biāo)準(zhǔn)、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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(zhuǎn)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(yù)定義測試碼型，可以通過主機(jī)選擇并加載至視頻信號發(fā)生器。用戶可選視頻標(biāo)準(zhǔn)VGA、NTSC或PAL，軟件會設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器。
圖3 PXI視頻測試碼型系統(tǒng)
總結(jié)
利用現(xiàn)今的技術(shù)與PXI平臺，結(jié)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)的PXI FPGA產(chǎn)品與滿足特定應(yīng)用的擴(kuò)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。