Blackfin处理器的并行外设接口简化了便携式多媒体中的LCD连接

作者：David Katz, Ching Lam, and Rick Gentile

随着低功耗、定点处理器（如ADI公司的Blackfin系列）性能和普及程度的提高，它们可以服务于越来越多的多媒体应用。其中许多应用需要小型、低功耗液晶显示器（LCD）面板，其视频分辨率通常低于用于广播电视的完整NTSC/PAL视频。这些面板通常由微控制器或专用LCD控制器芯片控制。但如今，Blackfin处理器具有足够的性能来处理信号处理和控制功能，并直接连接到LCD显示器，从而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媒体处理领域，从而允许单个处理器同时用于系统处理和显示驱动。

被动与主动

LCD阵列技术主要分为两大类——无源矩阵和有源矩阵。

在前者中，印有行的玻璃基板形成液晶夹层，基板印有柱子。像素在行列交点处定义。为了激活给定的像素，定时电路在将其行接地的同时激励像素的列。由此产生的电压差使液晶在该像素位置附近不透明，从而阻挡光线通过。

虽然简单明了，但无源矩阵技术确实存在一些缺点。首先，屏幕刷新时间相对较慢（这可能导致快速移动的图像出现重影）。此外，行列交叉处的电压场倾向于渗入相邻像素，部分解开液晶并阻止一些光线通过周围的像素区域。效果是模糊图像中的边缘并降低对比度。

有源矩阵LCD技术，使用类似IC的制造工艺，是一个相当大的改进。每个像素都有一个电容器，用于在刷新周期之间保持电荷，以及一个晶体管开关（由此产生流行的术语，薄膜晶体管 - TFT - 显示器）。为了对特定像素进行寻址，将启用其行，并对其列施加电压。这具有仅隔离感兴趣像素的效果，因此附近的其他像素不会受到影响。控制给定像素时消耗的电流减少，因此可以以更快的速率切换像素，从而与无源显示器相比，TFT的刷新率更快。更重要的是，调制施加到像素的电压电平允许许多离散的亮度水平。今天，通常有 256 个级别，对应于 8 位强度。

对于彩色显示器，每个像素实际上有三个子像素 - 带有红色，绿色和蓝色（R-G-B）滤镜 - 人眼将其视为单色斑点。例如，320 × 240 像素的显示器实际上有 960 × 240 个子像素，占 R、G 和 B 分量。每个子像素具有8位强度，从而构成了常见的24位彩色LCD显示器的基础。

由于LCD技术依赖于在像素级别调节光的通过，因此人们可能想知道光将在哪里产生。许多小型、低成本的单色LCD具有反射性，这意味着外部光从基板反射，但在液晶段充电的区域被阻挡。

由于TFT彩色显示器具有数百万个过滤入射光的晶体管，因此反射式显示器在有源矩阵技术中无效。相反，显示器是背光的（或透射式）;通常，集成在显示器中的荧光灯或白光发射二极管（LED）阵列产生的光在通过LCD“三明治”的各个层传输时经过调制。不幸的是，晶体管消耗的大表面积需要从背光输出更大的光。此外，TFT显示器的每个晶体管都会耗散功率，因此有源矩阵显示器与其无源表亲相比有些耗电。

TFT-LCD 系统的组件

考虑到所涉及的所有不同组件，连接到TFT-LCD面板似乎很复杂。首先是面板本身，它包含一个像素数组，用于高速按行和列排列，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明亮的光，同时产生的热量非常少。这种低耗散，加上其耐用性、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，主要用于中小型面板。它们具有成本低、工作电压低、寿命长、强度控制好等优点。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正确格式以在 LCD 面板上显示所需的大部分电路。它通常包括一个时序发生器，用于控制面板上各个像素的同步和像素时钟定时。此外，它还可以提供多种额外功能，例如屏幕显示、图形叠加混合、颜色查找表、抖动和图像旋转。更精致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公司的Blackfin系列，具有可用作LCD接口的端口，无需外部芯片。

需要LCD驱动器芯片才能为LCD面板生成适当的电压电平。它充当LCD控制器输出和LCD面板之间的转换器。行和列通常单独驱动，时序由时序发生器控制。由于直流电流会对晶体结构施加应力并最终导致劣化，因此必须以周期性的极性反转驱动液晶。因此，根据实现方式的不同，施加到每个像素的电压极性因每帧、每行或每像素而异。

连接到 TFT-LCD 模块

随着更小、更便宜的多媒体设备的趋势，人们一直在推动将驱动器、控制器和 LCD 面板结合起来。如今，集成TFT-LCD模块包括定时生成和驱动电路，因此只需要数据总线连接、时钟/同步线路和电源。然而，为了满足较小的PDA型LCD面板的面板厚度和成本要求，时序发生器通常无法集成到LCD模块中。在这种情况下，需要一个单独的外部定时ASIC来产生定时信号，以驱动LCD面板的各个行和列。

不过，ADSP-BF561 Blackfin处理器可以通过其并行外设接口（PPI）直接连接到许多TFT-LCD模块。PPI 是一个多功能并行接口，宽度可在 8 位到 16 位之间配置。它支持双向数据流，包括三条同步线和一个时钟引脚，用于连接到外部提供的时钟。除了连接到LCD面板外，PPI还可以无缝解码ITU-R BT.656数据，还可以连接到ITU-R BT.601视频流。

由于ADSP-BF561为许多具有脉宽调制（PWM）功能的通用定时器提供了，因此可以将其配置为为模块提供适当的LCD时序，因此无需外部定时ASIC。图 1 显示了 Blackfin 处理器和 TFT-LCD 模块之间基本连接的框图。图中还显示了ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板;它的许多便利性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。

图1.5-6-5 LCD连接：ADSP-BF561通过提供虚线连接，无需定时ASIC。

电源要求

TFT-LCD 面板通常需要两个独立的电源。首先，面板本身有电源线。尽管 LCD 面板的电源电压要求各不相同，但通常的值为 3.3 V 或 5 V。其次，CCFL背光需要高压电源来激发气体分子发出荧光。该电压通常由TFT-LCD模块内单独电路板上的DC-AC逆变器产生。另一方面，不需要高压交流电源的LED背光通常可以直接由5 V或12 V直流电源供电。

时钟和同步

像素时钟周期定义了像素采样率，因此速度因面板分辨率和刷新间隔而异。例如，刷新率为640 Hz的VGA面板（480×60有效像素）将需要250 MHz时钟，而QVGA面板（320×240有效像素）可以在5 MHz下运行。

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，隔行扫描和逐行扫描。在隔行扫描中，首先将视频帧的奇数线绘制到屏幕上，然后填充偶数行。在逐行扫描中，视频线按顺序连续显示。

许多较新的逐行扫描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） 表示每个新行的开头，而垂直同步 （VSYNC） 表示每个新帧的开头。它们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时序要求指定水平同步信号置位与实际显示的图像数据之间的无效数据周期。ADSP-BF561的PPI允许在接收到HSYNC信号后，传出数据延迟指定数量的时钟周期，从而可以处理此时序。

数据线

尽管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许多事项。三种最常见的配置对 RGB（8-8-8 格式）使用每通道 8 位，对 R 和 B 使用每通道 6 位（6-6-6 格式），对 G 使用 5 位（6-5-6 格式）。

8-8-8 RGB 数据格式可提供最大的色彩清晰度。总共有 24 位分辨率，可提供超过 16 万种色调。这种格式提供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，因此一个流行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） 来匹配 16 位数据总线。此方案效果很好，因为在三种颜色中，绿色是视觉上最重要的颜色。红色和蓝色的最低有效位与面板上各自的最高有效位相关联。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仿真LCD控制器（为了更换外部设备）所涉及的内容，让我们看一下在集成的TFT-LCD模块上显示传入的原始视频流所涉及的系统流程。以图2为例，NTSC相机的数字化输出提供应用于ADSP-BF561处理器视频端口的图像流。我们将讨论图中所示的每个步骤。

图2.系统流程示例：将来自摄像头源的信号转换为 LCD 显示屏输出。

去隔行

在示例中NTSC相机使用的隔行扫描视频中，奇数场和偶数场被分开，因此给定帧中的所有奇数行都先于任何偶数行传输。对于此示例，来自摄像机的视频流在进入视频端口后必须取消隔行扫描。这是通过多种方式之一完成的，具体取决于所需的输出质量。最简单的方法是行倍增，它将每条奇数线复制到随后的偶数线上，有效地消除偶数场，转而支持奇数场的移位版本。由于这会产生明显的伪影，因此通常使用处理密集型方法。其中包括线性插值、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。

扫描率转换

视频去隔行扫描后，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率匹配。为了平衡两者，可能需要删除或复制字段。与去隔行扫描一样，需要某种滤波来平滑由创建突然的帧过渡引起的高频伪影。

色度重采样和颜色转换 （YCrCb -> RGB）

一些相机以原始形式提供像素信息，就像图像传感器提供的那样。这可能意味着传感器中的每个像素都有一个红色、蓝色和绿色值，或者每个像素有一个 Y、Cr 和 Cb 值。Y、Cr 和 Cb 在数学上与 RGB 值相关，但与 RGB 数据相比，它们的相互关联性较低，因此它们允许更好的压缩比。然而，更常见的是，相机输出一个利用眼睛生理学的冷凝流，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每两个色度（Cr和Cb）值有四个亮度（Y）强度值。每个 （Y，Cb） 或 （Y，Cr） 16 位对代表一个像素值。

为了在LCD面板上显示，数据流最终需要转换为RGB空间。更准确地说，它需要转换为 R'G'B' 空间，这是 RGB 空间的伽马校正版本。伽马校正会根据LCD面板的非线性特性进行调整，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。不同的伽玛会改变图像中红色、绿色和蓝色的比例以及图像亮度。图 3 显示了用于在 YCrCb 空间和 R'G'B' 坐标之间进行转换的示例方程集。

图3.伽马校正 RGB 和 YCrCb 色彩空间之间的转换方程示例（假设为 8 位像素分量）。

在进行R'G'B'转换之前，必须对Cb和Cr通道进行重新采样，以实现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。重新采样的一种明确方法是通过简单平均从最近的邻居中插值缺失的色度值。对于某些应用程序，可能需要高阶过滤，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。

图4.4：4：4 和 4：2：2 YCrCb 采样的图示。

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载。作为一种更简单、更便宜的选择，可以裁剪处理后的图像以适应较小的 LCD 面板的范围。

根据应用的不同，可以向上或向下缩放。了解要缩放的图像内容的性质（例如，文本和细线的存在）非常重要。缩放不当会使文本不可读或导致某些水平线在缩放的图像中消失。

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，当缩小到较低的分辨率时，可以丢弃每行上的像素数（和/或每帧的某些行数）。虽然这表示处理负载较低，但结果会产生锯齿和视觉伪影。

复杂性上升一小步使用线性插值来提高图像质量。例如，缩小图像时，水平或垂直方向的插值都会提供新的输出像素，以替换插值过程中使用的像素。与以前的技术一样，信息仍然会被丢弃，因此伪影和混叠将再次出现。

如果图像质量至关重要，则还有其他方法可以执行缩放，而不会降低质量。这些方法力求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，假设图像要按 Y × X 的因子进行缩放。为了实现这种缩放，可以按因子Y对图像进行上采样（插值），过滤以消除混叠，然后按因子X进行下采样（抽取）。实际上，这两个采样过程可以组合在一个多速率滤波器中。

位提取/字节打包

如前所述，最好在每个传出LCD时钟周期传输16位。这种 5-6-5 位封装可以使用源数据完成。Blackfin架构提供了两种有效方法之间的选择，以创建所需的字节流。第一种是简单地将每种颜色（红色、蓝色和绿色）的适当位转移到目标寄存器中。第二种是利用 EXTRACT/DEPOSIT 指令对从特定位位置开始提取一定数量的位，并将结果存放在目标寄存器中。

应用笔记EE-256详细介绍了一个系统，其中处理器安装在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板上，接收来自DVD播放器的流视频输入并连接到TFT-LCD模块。Blackfin生成所有必要的定时，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处理器家族的成员正在为越来越多的多媒体应用提供服务。它们在需要小型、低功耗、中等分辨率液晶显示器 （LCD） 面板的显示器的系统设计中特别有用。对于许多此类应用，Blackfin处理器具有足够的性能来处理信号处理和控制功能，并直接连接到LCD显示器，从而大大降低了系统成本和复杂性。本文建议如何通过采用ADSP-BF561 Blackfin处理器的部分备用计算能力及其用于显示驱动的并行外设接口来实现这种系统。

审核编辑：郭婷