Blackfin处理器如何优化多媒体的LCD连接

电子设计 2019-04-03 2995

描述

随着ADI Blackfin系列等低功耗定点处理器的性能和普及程度的提高，它们可以为越来越多的多媒体应用提供服务。这些应用中的许多应用需要小型低功率液晶显示器（LCD）面板，其通常具有比用于广播电视的完整NTSC / PAL视频更低的视频分辨率。这些面板通常由微控制器或专用LCD控制器芯片控制。但是今天，Blackfin处理器具有足够的性能来处理信号处理和控制功能，并且还可以直接连接到LCD显示器 - 大大降低了系统成本和复杂性。本文将讨论ADSP-BF561 Blackfin处理器的并行外设接口（PPI）如何将LCD显示功能集成到高性能介质处理领域，允许单个处理器用于系统处理和显示驱动。

被动与主动

LCD阵列技术有两大类 - 被动 - 矩阵和活动 - 矩阵。

在前者中，印有行的玻璃基板形成液晶夹层，其中基板印有柱。像素在行 - 列交叉点处定义。为了激活给定像素，定时电路激励像素列，同时使其行接地。由此产生的电压差使液晶在该像素位置附近不透明，阻挡光线通过。

虽然很简单，但无源矩阵技术确实存在一些缺点。例如，屏幕刷新时间相对较慢（对于快速移动的图像，可能会导致重影）。此外，存在行 - 列交叉处的电压场渗透到相邻像素中的趋势，部分地解开液晶并阻挡一些光穿过周围的像素区域。其效果是模糊图像中的边缘并降低对比度。

使用类似IC的制造工艺的有源矩阵LCD技术是一项重大改进。每个像素都有一个电容，用于在刷新周期之间保持电荷，以及一个晶体管开关（引起流行的术语，薄膜晶体管 -TFT-显示器）。为了寻址特定像素，其行被启用，并且电压被施加到其列。这具有仅隔离感兴趣的像素的效果，因此附近的其他像素不受影响。控制给定像素的电流减小，因此像素可以更快的速率切换，导致TFT与无源显示器相比更快的刷新率。更重要的是，调制施加到像素的电压电平允许许多不连续的亮度级别。今天，通常有256级，相当于8位强度。

对于彩色显示器，每个像素实际上有三个子像素 - 红色，绿色和蓝色（RGB）滤镜 - 人眼看作是一个单色斑点。例如，320×240像素显示器实际上具有960×240个子像素，占R，G和B分量。每个子像素具有8位强度，因此形成了普通24位彩色LCD显示器的基础。

由于LCD技术依赖于调节像素级的光通过，人们可能会想知道光会在哪里产生。许多小型，低成本的单色LCD是反射，这意味着外部光线从基板反射，但在液晶段充电的区域被阻挡。

自TFT彩色显示器有数百万个晶体管可以过滤入射光，反射式显示器在有源矩阵技术中不会有效。相反，显示器是背光（或透射）;典型地，集成在显示器中的荧光灯或白色发光二极管（LED）阵列产生的光在通过LCD“三明治”的各个层传输时被调制。不幸的是，晶体管消耗的大表面积需要来自背光的更大的光输出。此外，TFT显示器的每个晶体管都会消耗功率，因此有源矩阵显示器与其被动同类产品相比有点耗电。

TFT-LCD系统的组件

连接考虑到所涉及的所有不同组件，TFT-LCD面板看起来很复杂。首先，有一个面板本身，它包含一排像素，用于按行和列高速选通，参考像素时钟频率。

背光通常是冷阴极荧光灯（CCFL）。在CCFL中，激发的气体分子发出强光，同时产生非常少的热量。这种低功耗，耐用性，长寿命和简单的驱动要求使其成为LCD面板应用的理想选择。如上所述，LED也是一种流行的背光方法，主要用于中小尺寸的面板。它们具有成本低，工作电压低，寿命长，强度控制好的优点。然而，在较大的面板中，与CCFL解决方案相比，LED背光可以消耗大量功率。

LCD 控制器包含将输入视频信号转换为输入视频信号所需的大部分电路。适当的格式在LCD面板上显示。它通常包括一个定时发生器，它控制面板上各个像素的同步和像素时钟定时。此外，它还可以提供各种额外功能，例如屏幕显示，图形叠加混合，颜色查找表，抖动和图像旋转。更复杂的芯片可能非常昂贵，通常超过它们所连接的处理器的成本。一些媒体处理器，如ADI的Blackfin系列，具有电气作为LCD接口的端口，无需外部芯片。

LCD驱动芯片是产生适当电压所必需的LCD面板的电平。它用作LCD控制器输出和LCD面板之间的转换器。行和列通常是分开驱动的，时序由定时发生器控制。由于直流电流会对晶体结构产生应力并最终导致劣化，因此必须以周期性极性反转驱动液晶。因此，根据实现，施加到每个像素的电压极性在每帧，每行或每像素的基础上变化。

连接到TFT-LCD模块

随着趋向于更小，更便宜的多媒体设备，推动将驱动器，控制器和LCD面板结合起来。如今，集成的TFT-LCD模块包括定时发生和驱动电路 - 因此只需要数据总线连接，时钟/同步线和电源。然而，为了满足较小PDA型LCD面板中的面板厚度和成本要求，定时发生器通常不能集成到LCD模块中。在这种情况下，需要一个单独的外部时序ASIC来产生定时信号，以驱动LCD面板的各个行和列。

然而，ADSP-BF561 Blackfin处理器可以直接通过并行外设接口（PPI）连接到许多TFT-LCD模块。 PPI是一个多功能并行接口，可配置宽度为8到16位。它支持双向数据流，包括三条同步线和一个时钟引脚，用于连接外部提供的时钟。除连接LCD面板外，PPI还可以无缝解码ITU-R BT.656数据，也可以与ITU-R BT.601视频流接口。

因为ADSP-BF561提供了许多通用功能 - 具有脉冲宽度调制（PWM）功能的目标定时器，可配置为模块提供适当的LCD时序，从而无需外部时序ASIC。图1显示了Blackfin处理器和TFT-LCD模块之间基本连接的框图。还显示了ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板;它的许多便利提供了一种简单的方法来开始使用各种Blackfin应用程序，包括这里讨论的应用程序。

液晶显示器

电源要求

TFT-LCD面板通常需要两个独立的电源。首先，面板本身具有电源线。虽然LCD面板的电压供应要求不同，但通常的值为3.3 V或5 V.其次，CCFL背光需要高压电源才能将气体分子激发为荧光。该电压通常在TFT-LCD模块内的单独电路板上用dc-ac逆变器产生。另一方面，不需要高压交流电源的LED背光灯通常可以直接从5V或12V直流电源供电。

时钟和同步

像素时钟周期定义像素采样率，因此速度取决于面板分辨率和刷新间隔。例如，具有60Hz刷新率的VGA面板（640×480有源像素）需要250MHz时钟，而QVGA面板（320×240有源像素）可以以5MHz运行。

< p>同步线控制扫描每条线和视频帧并在LCD上显示的时间。有两种扫描方法，隔行扫描和渐进式扫描。在隔行扫描中，视频帧的奇数行首先被绘制到屏幕上，然后填充偶数行。在逐行扫描中，视频行按顺序连续显示。

许多新的逐行扫描TFT-LCD面板使用同步线来控制每条线和帧的开始和结束位置。水平同步（HSYNC）表示每个新行的开始，而垂直同步（VSYNC）表示每个新帧的开始。它们可确保生成对齐且可查看的图像。 HSYNC和VSYNC脉冲的极性以及脉冲宽度的持续时间因面板而异。

ADSP-BF561通过可配置的PWM输出生成HSYNC和VSYNC信号，以实现最大的灵活性。这允许调整特定TFT面板指定的极性，脉冲宽度和周期。

通常，LCD时序要求指定水平断言之间的无效数据周期同步信号和实际显示的图像数据。 ADSP-BF561的PPI可以通过在接收到HSYNC信号后允许输出数据延迟指定的时钟周期来处理此时序。

数据线

虽然模块的数据接口很简单，但在选择合适的RGB数据格式时需要考虑很多事项。三种最常见的配置使用每通道8位用于RGB（8-8-8格式），每通道6位（6-6-6格式），或每通道5位用于R和B-以及6位用于G （5-6-5格式）。

8-8-8 RGB数据格式提供最大的色彩清晰度。总共24位分辨率，可提供超过1600万种色调。这种格式提供了高性能液晶电视所需的精度和分辨率。

6-6-6格式在便携式电子产品中很受欢迎。 18位分辨率提供超过262,000种色调。但是，由于18引脚（6 + 6 + 6）数据总线不能很好地符合16位处理器数据路径，因此一个受欢迎的行业折衷方案是使用R和B各5位，以及6位G（ 5 + 6 + 5 = 16）匹配16位数据总线。这种情况很有效，因为在三者中，绿色是最具视觉重要性的颜色。红色和蓝色的最低有效位与面板上各自最高有效位相关联。这确保了每个颜色通道的完整动态范围（从完全饱和到全黑）。

系统算法流程

要了解在媒体处理器上模拟LCD控制器所涉及的内容（为了更换外部设备），让我们看一下显示传入原始设备所涉及的系统流程集成TFT-LCD模块上的视频流。考虑图2的示例，其中NTSC摄像机的数字化输出提供应用于ADSP-BF561处理器的视频端口的图像流。我们将讨论图中所示的每个步骤。

液晶显示器

去隔行扫描

在隔行扫描视频中，NTSC摄像机在示例中使用，奇数和偶数场被分开，以便给定帧中的所有奇数行在任何偶数行之前被传送。对于此示例，来自摄像机的视频流在进入视频端口后必须进行解交错。这可以通过多种方式之一完成，具体取决于所需的输出质量。最简单的方法是线加倍，它将每条奇数线复制到后续偶数线上，有效地消除了偶数场，有利于奇数场的移位版本。因为这会产生明显的伪像，所以经常使用更多处理密集型方法。这些包括线性插值，运动补偿和中值滤波。后一种方法将每个像素的强度值替换为其近邻的中值灰度值，以帮助消除图像中的高频噪声。

扫描速率转换

视频已被去交错，可能需要扫描速率转换过程以确保输入帧速率与输出显示 - 刷新速率匹配。为了均衡这两者，可能需要删除或复制字段。与去隔行一样，需要某种滤波来消除由于创建突然帧转换而导致的高频伪像。

色度重采样和颜色转换（YCrCb - > RGB）

有些相机以原始形式提供像素信息，与图像传感器提供的完全相同。这可能意味着传感器中每个像素的红色，蓝色和绿色值，或者每个像素的一个Y，Cr和Cb值。 Y，Cr和Cb在数学上与RGB值相关，但是与RGB数据相互关联性较小，它们允许更好的压缩比。然而，更常见的是，相机输出利用眼睛生理学的浓缩流，为绿色（在RGB情况下）或YCrCb空间中的强度（Y）提供更大的权重。在图2的示例中，视频流以4：2：2 YCrCb格式进入PPI。 “4：2：2”意味着给定视频线上的每两个色度（Cr和Cb）值存在四个亮度（Y）强度值。每个（Y，Cb）或（Y，Cr）16位对表示一个像素值。

为了在LCD面板上显示，最终需要将数据流转换为RGB空间。更准确地说，它需要转换为R'G'B'空间，这是RGB空间的 gamma 校正版本。伽玛校正调整LCD面板的非线性属性，因为给定像素的亮度不是在该像素位置施加的电压的线性函数。不同的伽马值会改变图像中红色与绿色的比例以及图像亮度。图3显示了在YCrCb空间和R'G'B'坐标之间进行转换的示例方程组。

液晶显示器

在R'G'B'转换之前，必须重新采样Cb和Cr通道实现4：4：4格式，其中Y，Cb和Cr各一个字节代表一个像素值，如图4所示。重采样的明确方法是从最近邻居插入缺失的色度值通过简单的平均。某些应用程序可能需要更高阶的过滤，但这种简化的方法通常就足够了。实际上，色度重采样和色彩空间转换的步骤都可以作为单个操作执行，因为每个离散步骤都涉及线性像素操作。

液晶显示器

缩放

下一步，视频缩放非常重要，因为它允许生成分辨率与输入格式不同的输出流。理想情况下，固定缩放要求（输入数据分辨率，输出面板分辨率）是提前知道的，以避免输入和输出流之间任意缩放的计算负荷。作为一种更简单，更便宜的选项，可以裁剪处理后的图像以适应较小LCD面板的范围。

根据应用的不同，可以向上或向下进行缩放。重要的是理解要缩放的图像内容的性质（例如，文本和细线的存在）。不正确的缩放可能会使文本无法读取或导致某些水平线在缩放图像中消失。

最直接的缩放方法包括丢弃像素或复制现有像素。也就是说，当缩小到较低分辨率时，可以丢弃每行上的多个像素（和/或每帧的一些行数）。虽然这表示处理负荷较低，但结果会产生混叠和视觉伪影。

复杂性向上一小步使用线性插值来提高图像质量。例如，当缩小图像时，在水平或垂直方向上的插值提供新的输出像素以替换插值过程中使用的像素。与之前的技术一样，信息仍然被丢弃，因此将再次出现伪像和锯齿。

如果图像质量至关重要，还有其他方法可以执行缩放 - 而不会降低质量。这些方法努力保持图像的高频内容与水平和垂直缩放一致，同时减少混叠的影响。例如，假设图像将按因子 Y × X 进行缩放。为了实现这种缩放，可以通过因子 Y 对图像进行上采样（插值），滤波以消除混叠，然后通过因子 X进行下采样（抽取）。实际上，这两个采样过程可以在一个多速率滤波器中组合。

位提取/字节封装

如前所述，最好在每个输出LCD上传输16位时钟周期。这个5-6-5位打包可以用源数据完成。 Blackfin架构提供了两种有效方法来创建所需的字节流。第一种是简单地将每种颜色（红色，蓝色和绿色）中的适当位移到目标寄存器中。第二种方法是利用EXTRACT / DEPOSIT指令对从特定的位位置开始拉出一些位，然后将结果存入目标寄存器。

应用说明EE-256提供了系统的详细说明，其中安装在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板上的处理器从DVD播放器接收流式视频输入并连接到TFT-LCD模块。 Blackfin生成所有必要的时序并执行抽取，颜色转换，重采样和输出格式化。详细描述了系统数据流和缓冲区管理，并提供了具有特定LCD模块的工作应用程序的示例代码供下载。

结论

由于其性能和受欢迎程度， Blackfin处理器系列的成员正在服务于越来越多的多媒体应用。它们在需要小型，低功耗，中等分辨率液晶显示器（LCD）面板的显示器系统设计中特别有用。对于这些应用中的许多应用，Blackfin处理器具有足够的性能来处理信号处理和控制功能，并且还可以直接连接到LCD显示器 - 大大降低了系统成本和复杂性。本文介绍了如何通过采用ADSP-BF561 Blackfin处理器的备用计算能力及其并行外设接口的一部分来实现显示驱动，从而实现这样的系统。

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