M16C/62P在中國液晶電視製造中的應用

名稱:M16C/62P在中國液晶電視製造中的應用
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摘要
最近幾年，中國的液晶電視工業有了巨大的增長。電子晶元產品製造商泰鼎多媒體技術(上海)有限公司（Trident Multimedia Technologies (Shanghai) Co., Ltd.）與瑞薩亞洲科技有限公司Renesas System Solution Asia Pte. Ltd.）合作，使用我們的M16C MCU加上泰鼎的視頻LSI開發出了液晶電視。本文將介紹M16C平台在先進的數字液晶電視技術，以及硬體配置和軟體演算法方面的作用。同時也將討論其他的LSI。
1.概述
瑞薩和泰鼎公司聯同我們一個位於深圳的的LCD製造商開發了兩個項目。一個是北美市場的US-Model，另一個是在香港推出的HK-Model（圖1）。兩種類型的規格是相類似。顯示屏的尺寸為32英寸，長寬比為16∶9，解析度為1366768，對比度為800∶1，亮度為1000cd/m2。介面採用HDMI、YpbPr、S-Video、Video、D-sub和DVI。這些項目是基於瑞薩M16C MCU,以及泰鼎高度集成的單晶元系統器件為主，目標是作為那些在視頻和數據處理方面有高精度要求的高清晰電視（HDTV）和備用PC液晶電視應用。此外，它也是中國電視製造商用於26英寸或以上電視的主要解決方案。
圖1液晶電視及其圖形OSD
2.項目描述
2.1 MCU
主印刷電路板顯示了所有晶元的布局（圖2）。瑞薩的M16C系列是一個具有ROM高效率的多用途32和16位CISC微型機。它具有在高速度條件下的優異雜訊免疫性和超低功耗處理能力。而其中一組M16C系列的MCU是M16C/62P,這器件可提供低成本開發環境和能借著增加工作頻率運行高達24MHz。而其他優點是支持多工和獨立匯流排模式，可以連接外部存儲器和視頻處理器。我們的液晶電視解決方案中選擇了 M30620SPGP，它是一個內置10K RAM的無ROM的版本，可以在20MHz的PLL時鐘的微處理器模式工作。並使用了一個8位多工匯流排用於連接整個系統。
由於系統採用了不戴ROM的M16C MCU作為中央處理單元，以及視頻處理器需要顯示幀的緩衝器而運行。所以系統需連接外置的ROM和作鍰沖器的RAM。外置ROM是一顆512K8Bit的閃連存儲器 W29C040 ,而RAM是128Mbit的SDRAM。
圖2主板上的晶元布局
2.2其他的LSI
現在，我們來看看視頻信號處理器。
表1泰鼎的第五代集成視頻處理器
產品
封裝
模擬輸入
數字視頻輸入
顯示器介面
應用
SVP TM EX52
256引腳 QFP
CVBS,
RGB,
YPrPb
24位
LVDS
具有」第二 代」*器和 HDMI接收器
的高檔 LCD、 PDP TV
這顆LSI的名稱為SVPTMEX52，代表泰鼎的第五代的SVP EX系列集成視頻處理器。為高檔數字電視提供主要的*、處理、調節和顯示控制功能。它集成了用於CVBS/S-video/Component，以及HD-D1/D2/D3/D4模式的SD/HD模擬視頻輸入的10位ADC。高達108MHz的PC RGB輸入可支持SXGA/60Hz。隔行掃描刷新為60Hz到100Hz，而逐行掃描刷新為50Hz到75Hz。泰鼎圖形引擎可提供卓越的視頻圖像質量。該技術集成了3D梳狀視頻*，並支持PAL、NTSC和SECAM格式、運動適應解隔行掃描、數字雜訊消除、圖像調節、平均畫面水平控制、邊界消除和銳利度提升等。其內部低電壓差分信號發送器LVDS用來連接LVDS面板。它還採用了一種用於LCD過驅動的專有技術，可以改善主畫面（MP）和畫中畫（PIP）通道在LCD面板上的反應時間。
整個系統還加入了一個HDMI接收器Sil9011（高清晰度多媒體介面）。這個LSI與HDMI 1.1規範兼容。且後向兼容與DVI 1.0,這可使HDMI系統以一條電纜連接到現有的DVI 1.0主機（例如DVD播放器）。其所包含的單個Panel Link TMDS數碼內核支持視頻信號圖素時鐘速率達165MHz,覆蓋範圍至1080p（高清電視解析度）或PC的UXGA (PC解析度)。而且，它具有高達192KHz的音頻信號的採樣率，支持S/PIF及多路音頻輸出。這晶元所帶有工業標準的I2S埠可與音頻DAC直接進行連接。Sil9011還嵌入了一個HDCP（高清晰度內容保護）*引擎連同預編程的HDCP鑰匙，用來接收受保護的音頻和視頻內容，從而提供最高級別的安全性能。
至於音頻處理器使用了 MSP34X0G系列，可覆蓋全球所有模擬電視聲音系統的標準。同時，諸如自動音量控制（AVC）、低音增強效果（BBE）和重低音輸出等基帶聲音處理也是在同一個單晶元中執行。用於香港的電視系統是PAL I, NICAM聲音調製，所以HK-Model將 MSP3410G與PAL/NTSC調諧器配合使用。美國的電視系統是NTSC M帶BTSC立體聲+SAP調製，所以US-Model使用的是 MSP3420G +NTSC調諧器。 MSP34X0G系列帶有一個只運行在32KHz的內置的I2S匯流排介面。所以，它不適合直接連接Sil9011。因此，我們增加了一個具有192KHz採樣率的D/A轉換器，以轉化音源到基帶的音頻才作為 MSP3410G輸出。
3.基本的系統結構
3.1硬體配置
基本的硬體配置如方框圖所示（圖3）。M16C/62P的第一組I2C匯流排連接到存儲初始值和電視數據的EEPROM。而另外一組用於器件之間的通信，例如SVPTMEX52、HDMI接收器、音頻處理器和調諧器。這個I2C匯流排也與一個PC平行埠連接。當MCU程序進入固件調試模式時，MCU釋放I2C匯流排控制。在PC上打開泰鼎的工具應用軟體（圖6）就能夠控制所有這些器件，這對我們的系統調試非常有用。視頻處理器支持I2C匯流排和平行介面的通信。不帶ROM的 M30620SPGP工作在1M位元組的微處理器摸式下以20MHz速率運行，這需要連接一個10MHz的晶振及設定內置的PLL時鐘頻率兩倍，它們之間的通信採用一個多工匯流排來實現。MCU的映射定位於CS2區域的8000h的起始地址。相反程序進入調試模式條件下，我們需要對SVPTMEX52內部的寄存器進行設置，以控制I2C匯流排，並使這多工的平行介面失效。此外，M16C/62P的UART1能夠連接到PC串列埠。藉運行嵌入在PC視窗操作系統中超級終端（Hyper Terminal），從而輸出信息並意味著MCU接受我們的遙控或本地鍵指令完成某些任務，而程序在正常狀態下運行時，PC和液晶電視之間也可持續進行交互。這是*不確定性結果的一個強大的功能。
V:調諧器/YprBr/模擬/VGA視頻源
D: 24位數字視頻匯流排介面
L: LCD面板的單頻道LVDS發送器
F: 32位DDR存儲器介面
M:視頻處理器平行匯流排介面
S:外部ROM平行匯流排介面
TMDS:轉換極低損耗微分信號
圖3系統方框圖
3.2系統的開發
該系統的軟體結構包括由C語言編寫的EX、TV API（泰鼎的應用可編程介面）和應用程序三個層次。我們利用EXSDK（泰鼎的開發工具包）開發了該程序，EXSDK提供了有效的工具和API。基於數據和編碼分開的概念，數據包括寄存器表的設置、OSD（屏幕文字信息顯示）和用戶定義區域等，都可以按照泰鼎的資源編碼工具（圖5）進行編輯。它能夠用來創建並維護這些作為資源的數據（圖4）。然後，每一歸類的數據也看為某一指定的資源被插進應用程序中，例如視頻信號處理器SVPTMEX52中的數據表和不同LSI中的所有寄存器表等。
系統使用作為資源的數據
圖4運行流程圖
以下是一個重要和經常用來處理寄存器表的API調用函數：
Void tdWriteRegTable(RPByte rpTable, Byte ucColume Num)
rpTable參數是一個指標，它指向寄存器表這資源所插入生成的數據。ucColumnNum參數是對哪一列數據應該寫入的晶元進行選擇。在其他實例中，如指向OSD所插入的是調色板、字體、字串、圖像、OSD數據和OSD項目。都是用TOE（泰鼎OSD引擎）開發的所有這些資源都能夠如圖5所示在PC上進行預覽，這也正是視頻菜單OSD設計的實例。
圖5使用資源編碼工具所製作的視頻菜單OSD設計實例
至於TOE是一個位於高層的功能程序庫，叫做TOE.LIB。它可在電視中執行如PC形式的圖形用戶介面，並支持兩個板面的4或8位元顏色OSD顯示。TOE的結構是基於MVC（模型、視圖和控制器）的設計模式。它由三個部分組成，藉調用TOEAPI進行編碼。OSD數據編輯器和OSD項目編輯器是用來組成OSD的布局設計和視覺結構。TOE是用標準C語言寫成，能支持跨平台作業，所以TOE是沒有平台限制。
而EXAPI是一個作為SVPTMEX52驅動器的低層功能程序庫，它亦可以編譯在不同的開發平台包括PC Win32或許多不同的單片機平台。EXAPI也如眾多程序庫文擋一樣，都隱含著API所進入已成為二進位目標碼的執行細節。
TVAPI也封裝了了基本TV的邏輯處理。但如果系統有硬體改動，例如是改換視頻*器，就需要修改TVAPI的源碼來配合， EXAPI和 TVAPI是能夠被應用層程序所調用。
圖6泰鼎片所提供的LSI的調試工具
3.3模擬環境
微軟的Visual C++在PC中是一個強大的工具程式，所編寫的電視模擬器借著WIN32平台通過I2C匯流排對系統進行作業操控，並且程式也具備OSD模擬器用作預顯示，這樣我們的OSD設計就能顯示在平面屏幕上。它可提供無可比擬的最便宜的調試和開發環境。
3.4模擬環境
而高質量的軟體開發應該通過USB電纜連接當瑞薩的專業模擬器 PC7501。探針 M3062PT-EPB與模擬一起工作。這個探針是為了模擬M16C/62P這組別的MCU。同時，整個系統運行在下列工具軟體上。
表2軟體列表
編譯器
NC30WA V5.30版本 1
IDE (整合開發環境)
TM V3.20A
調試器
PD30F V2.20版本1
3.5軟體結構簡介
應用層程序基於下列流程圖。
主程序流程
圖7主程序流程圖
系統從第一個模塊開始進行初始化和預設設置。例如，函數Bool tdEEPROMCheckOnline（void）檢查如沒有返回標記_EEPROM_IS_INITIALIZED_，應用層軟體將使用預設設置來初始化EEPROM。 M30620SPGP MCU首先被初始化。然後，包括系統資源、藉資源工具ResBuilder生成的數據、系統定時器、按鍵輸入、遙控輸入和I2C匯流排在內的整個系統進行初始化。借著用戶輸入包括按鍵或遙控輸入被轉換成以位元組為單位的虛擬鍵數值，以及對重複鍵的處理推進到虛擬鍵值緩衝器中。而驅動的API是：Void tdInitKeyboard(Word wFirstDelay,Word wRepeatDelay);Void tdInitRemoteEx(RPByte rpData, Word wFirstDelay, Word wRepeatDelay);應用層程式的主迴路使用來自緩衝器，調用Byte tdGetVirtualKey（void）函數就得到虛擬鍵值。如果緩衝器中沒有虛擬鍵，EXAPI將調用回函數Void tdCallBackIdle（Void），這要保證後台工作的運行，甚至當前工作正在處理OSD菜單期間，也沒有影響。而所有處理後台工作的模塊都按照其標記變換而執行的。並且所有這些標記都可以根據用戶輸入、模式的切換和信號檢測進行改變。後台作業處理包括搜台、聲音處理、頻道選擇和信號處理等。所有背景模塊的流程圖均顯示如下（圖8）：圖8:主要處理流程圖EXAPI提供了兩種定時器回叫功能，這是可通過應用層軟體來實現的。
Void tdCallBack1ms(Void);
Void tdCallBack20ms(Void);
而這些都是系統定時中斷程序，至於Void tdRemoteService（Void）功能是處理遙控輸入的中斷程序。系統在電源接通之後有許多種模式。在待機模式下，液晶電視僅等候接受控鍵或遙控輸入。但顯示器的其他部分關閉，並進入節電模式。在正常的模式下，整機操作正常進行，除非收到_VK-POWER_信號，它關閉系統並進入待機模式。該程序也可以能夠進入工廠模式。這個模式強迫液晶電視接受工廠設置或進行系統老化測試，這會使電視面板重複地顯示出紅、藍、綠或白色屏幕。至於在多重視窗的狀態下，可以在顯示層上產生九個視窗的排列，每個小窗口一次顯示一個頻道並將其定格。然後，下一個頻道在下一個窗口上顯示，如此類推。
所有模式均有其自己的指令和OSD處理。例如，在正常模式下，按下菜單鍵顯示畫面設置菜單（圖9）。有四種畫面設定模式可以選擇——生動、標準、柔和和自定義。接下一行OSD的顯示，我們控制對比度、亮度、飽和度、色調和銳利度等。與畫面設置摸式相似的是聲音處理菜單，用來控制聲音和音量大小（圖10）。至於設置菜單是為搜台及設定電視系統而有的（圖13）。信號源輸入是藉著信源菜單來選擇的，例如是對AV/SV/PC/HDTV/HDMI的切換。屏幕菜單是針對調整輸入RGB信號的通道，控制其在電視屏幕的位置及顯示模式（圖11）。還有一個選擇菜單對系統語言、藍屏等進行設置（圖12）。
圖9視頻調整圖10音頻調整
圖11 RGB屏幕控制圖12選擇設置
圖13電視頻道設置
另外只有HK-Model才有的時鐘菜單，用來設置系統時鐘和電源開關時間。而美國電視家長指導系統連同美國電影協會分級系統就只在US-Model的家長等級分類控制菜單上操作。
圖14和15顯示了這菜單（僅用於US-Model）。這系統專門設計為電視節目劃分等級和類別，並且連同V-CHIP一起使用的。V-CHIP是一個通用術語，用於作為一個電視接收器的功能特徵，對其特定的節目內容進行判別和管制。該功能旨在通過父母*他們的孩子所觀賞的電視節目。
圖14家長等級分類控制圖15等級分類的設置
4.結論
在這快速日益增長的液晶電視市場中，帶有泰鼎SVPTMEX52的M16C平台是一個設計取勝的解決方案，其目標是26英寸以上的液晶電視。
與其他解決方案相比，它採用了先進的顯示技術，具有最好的畫面質量。此外，M16C MCU在滿足消除EMI/EMS雜訊、高度有效的編碼和適當的價格等需求方面具有顯著的優勢。這兩個液晶電視項目的規格如表3所示。
表3當前的液晶電視項目規格表
HK-Model
面板系統
32英寸LCD面板
顯示器解析度
垂直 1366像素水平 768像素
對比度
800:1
亮度
1000 cd/m 2
電視系統
PAL/NTSC
顏色數量
16.7百萬
視角
170 ﾟ /170 ﾟ
輸入/輸出
AV1
AV2
AV3
AV4
AV5
音頻輸出
TV輸出
視頻輸入/音頻（L/R）
S S-Video輸入 /音頻（ L/R）
HDTV輸入 /音頻（ L和 R）
RGB輸入 /音頻（ L和 R）
HDMI輸入
揚聲器輸出
8W X 2
電源
100~240V
尺寸
950mm(W) X 250mm(D) X 585.6mm(H)
重量（凈重）
48.9磅
目前，歐洲版本正在開發當中。是一個PAL/SECAM制式的新項目，並支持圖文，畫中畫及畫外畫等眾多功能。