M16C/62P在中国液晶电视制造中的应用

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摘要
最近几年，中国的液晶电视工业有了巨大的增长。电子芯片产品制造商泰鼎多媒体技术(上海)有限公司（Trident Multimedia Technologies (Shanghai) Co., Ltd.）与瑞萨亚洲科技有限公司Renesas System Solution Asia Pte. Ltd.）合作，使用我们的M16C MCU加上泰鼎的视频LSI开发出了液晶电视。本文将介绍M16C平台在先进的数字液晶电视技术，以及硬件配置和软件算法方面的作用。同时也将讨论其他的LSI。

1.概述

瑞萨和泰鼎公司联同我们一个位于深圳的的LCD制造商开发了两个项目。一个是北美市场的US-Model，另一个是在香港推出的HK-Model（图1）。两种类型的规格是相类似。显示屏的尺寸为32英寸，长宽比为16∶9，分辨率为1366×768，对比度为800∶1，亮度为1000cd/m2。接口采用HDMI、YpbPr、S-Video、Video、D-sub和DVI。这些项目是基于瑞萨M16C MCU, 以及泰鼎高度集成的单芯片系统器件为主，目标是作为那些在视频和数据处理方面有高精度要求的高清晰电视（HDTV）和备用PC液晶电视应用。此外，它也是中国电视制造商用于26英寸或以上电视的主要解决方案。

图1 液晶电视及其图形OSD

2. 项目描述

2.1 MCU

主印刷电路板显示了所有芯片的布局（图2）。瑞萨的M16C系列是一个具有ROM高效率的多用途32和16位CISC微型机。它具有在高速度条件下的优异噪声免疫性和超低功耗处理能力。而其中一组M16C系列的MCU是M16C/62P,这器件可提供低成本开发环境和能借着增加工作频率运行高达24MHz。而其他优点是支持多工和独立总线模式，可以连接外部存储器和视频处理器。我们的液晶电视解决方案中选择了M30620SPGP，它是一个内置10K RAM的无ROM的版本，可以在20MHz的PLL时钟的微处理器模式工作。并使用了一个8位多工总线用于连接整个系统。

由于系统采用了不戴ROM的M16C MCU作为中央处理单元，以及视频处理器需要显示帧的缓冲器而运行。所以系统需连接外置的ROM和作锾冲器的RAM。外置ROM是一颗512K×8Bit的闪连存储器W29C040, 而RAM是128Mbit的SDRAM。

图2 主板上的芯片布局

2.2其他的LSI

现在，我们来看看视频信号处理器。

表1    泰鼎的第五代集成视频处理器

产品	封装	模拟输入	数字视频输入	显示器接口	应用
SVPTMEX52	256引脚QFP	CVBS, RGB, YPrPb	24位	LVDS	具有”第二代”解码器和HDMI接收器 的高档 LCD、PDP TV

这颗LSI的名称为SVPTMEX52，代表泰鼎的第五代的SVP EX系列集成视频处理器。为高档数字电视提供主要的解码、处理、调节和显示控制功能。它集成了用于CVBS/S-video/Component，以及HD-D1/D2/D3/D4模式的SD/HD模拟视频输入的10位ADC。高达108MHz的PC RGB输入可支持SXGA/60Hz。隔行扫描刷新为60Hz到100Hz，而逐行扫描刷新为50Hz到75Hz。泰鼎图形引擎可提供卓越的视频图像质量。该技术集成了3D梳状视频解码，并支持PAL、NTSC和SECAM格式、运动适应解隔行扫描、数字噪声消除、图像调节、平均画面水平控制、边界消除和锐利度提升等。其内部低电压差分信号发送器LVDS用来连接LVDS面板。它还采用了一种用于LCD过驱动的专有技术，可以改善主画面（MP）和画中画（PIP）通道在LCD面板上的反应时间。

整个系统还加入了一个HDMI接收器Sil9011（高清晰度多媒体接口）。这个LSI与HDMI 1.1规范兼容。且后向兼容与DVI 1.0,这可使HDMI系统以一条电缆连接到现有的DVI 1.0主机（例如DVD播放器）。其所包含的单个Panel Link TMDS数码内核支持视频信号图素时钟速率达165MHz, 覆盖范围至1080p（高清电视分辨率）或PC的UXGA (PC分辨率)。而且, 它具有高达192KHz的音频信号的采样率, 支持S/PIF及多路音频输出。这芯片所带有工业标准的I2S端口可与音频DAC直接进行连接。Sil9011还嵌入了一个HDCP（高清晰度内容保护）解码引擎连同预编程的HDCP钥匙，用来接收受保护的音频和视频内容，从而提供最高级别的安全性能。

至于音频处理器使用了MSP34x0G系列, 可覆盖全球所有模拟电视声音系统的标准。同时，诸如自动音量控制（AVC）、低音增强效果（BBE）和重低音输出等基带声音处理也是在同一个单芯片中执行。用于香港的电视系统是PAL I, NICAM声音调制，所以HK-Model将MSP3410G与PAL/NTSC调谐器配合使用。美国的电视系统是NTSC M带BTSC立体声+SAP调制，所以US-Model使用的是MSP3420G+NTSC调谐器。MSP34x0G系列带有一个只运行在32KHz的内置的I2S总线接口。所以, 它不适合直接连接Sil9011。因此，我们增加了一个具有192KHz采样率的D/A转换器，以转化音源到基带的音频才作为MSP3410G输出。

3. 基本的系统结构

3.1硬件配置

基本的硬件配置如方框图所示（图3）。M16C/62P的第一组I2C总线连接到存储初始值和电视数据的EEPROM。而另外一组用于器件之间的通信，例如SVPTMEX52、HDMI接收器、音频处理器和调谐器。这个I2C总线也与一个PC平行端口连接。当MCU程序进入固件调试模式时，MCU释放I2C总线控制。在PC上打开泰鼎的工具应用软件（图6）就能够控制所有这些器件，这对我们的系统调试非常有用。视频处理器支持I2C总线和平行接口的通信。不带ROM的M30620SPGP工作在1M字节的微处理器摸式下以20MHz速率运行, 这需要连接一个10MHz的晶振及设定内置的PLL时钟频率两倍,它们之间的通信采用一个多工总线来实现。MCU的映射定位于CS2区域的8000h的起始地址。相反程序进入调试模式条件下，我们需要对SVPTMEX52内部的寄存器进行设置，以控制I2C总线，并使这多工的平行接口失效。此外，M16C/62P的UART1能够连接到PC串行端口。藉运行嵌入在PC视窗操作系统中超级终端（Hyper Terminal），从而输出信息并意味着MCU接受我们的遥控或本地键指令完成某些任务,而程序在正常状态下运行时，PC和液晶电视之间也可持续进行交互。这是监控不确定性结果的一个强大的功能。

V:     调谐器/YprBr/模拟/VGA视频源
D:     24位数字视频总线接口
L:    LCD面板的单频道LVDS发送器
F:     32位DDR存储器接口
M:     视频处理器平行总线接口
S:    外部ROM平行总线接口
TMDS:     转换极低损耗微分信号

图3 系统方框图

3.2系统的开发

该系统的软件结构包括由C语言编写的EX、TV API（泰鼎的应用可编程接口）和应用程序三个层次。我们利用EXSDK（泰鼎的开发工具包）开发了该程序，EXSDK提供了有效的工具和API。基于数据和编码分开的概念，数据包括寄存器表的设置、OSD（屏幕文字信息显示）和用户定义区域等，都可以按照泰鼎的资源编码工具（图5）进行编辑。它能够用来创建并维护这些作为资源的数据（图4）。然后，每一归类的数据也看为某一指定的资源被插进应用程序中，例如视频信号处理器SVPTMEX52中的数据表和不同LSI中的所有寄存器表等。

系统使用作为资源的数据
图4 运行流程图

以下是一个重要和经常用来处理寄存器表的API调用函数：

Void tdWriteRegTable(RPByte rpTable, Byte ucColume Num)

rpTable参数是一个指标，它指向寄存器表这资源所插入生成的数据。ucColumnNum参数是对哪一列数据应该写入的芯片进行选择。在其他实例中，如指向OSD所插入的是调色板、字体、字串、图像、OSD数据和OSD项目。都是用TOE（泰鼎OSD引擎）开发的所有这些资源都能够如图5所示在PC上进行预览，这也正是视频菜单OSD设计的实例。

图5 使用资源编码工具所制作的视频菜单OSD设计实例

至于TOE是一个位于高层的功能程序库，叫做TOE.LIB。它可在电视中执行如PC形式的图形用户介面，并支持两个板面的4或8位元颜色OSD显示。TOE的结构是基于MVC（模型、视图和控制器）的设计模式。它由三个部分组成，藉调用TOEAPI进行编码。OSD数据编辑器和OSD项目编辑器是用来组成OSD的布局设计和视觉结构。TOE是用标准C语言写成, 能支持跨平台作业, 所以TOE是没有平台限制。

而EXAPI是一个作为SVPTMEX52驱动器的低层功能程序库，它亦可以编译在不同的开发平台包括PC Win32或许多不同的单片机平台。EXAPI也如众多程序库文挡一样, 都隐含着API所进入已成为二进制目标码的执行细节。

TVAPI也封装了了基本TV的逻辑处理。但如果系统有硬件改动，例如是改换视频解码器，就需要修改TVAPI的源码来配合, EXAPI 和 TVAPI是能够被应用层程序所调用。

图6 泰鼎片所提供的LSI的调试工具

3.3 模拟环境

微软的Visual C++在PC中是一个强大的工具程式, 所编写的电视模拟器借着WIN32平台通过I2C总线对系统进行作业操控, 并且程式也具备OSD模拟器用作预显示, 这样我们的OSD设计就能显示在平面屏幕上。它可提供无可比拟的最便宜的调试和开发环境。

3.4 仿真环境

而高质量的软件开发应该通过USB电缆连接当瑞萨的专业仿真器PC7501。探针M3062PT-EPB与仿真一起工作。这个探针是为了仿真M16C/62P这组别的MCU。同时，整个系统运行在下列工具软件上。

表2 软件列表

编译器	NC30WA V5.30版本1
IDE (整合开发环境)	TM V3.20A
调试器	PD30F V2.20版本1

3.5 软件结构简介

应用层程序基于下列流程图。

主程序流程
图7 主程序流程图

系统从第一个模块开始进行初始化和缺省设置。例如，函数Bool tdEEPROMCheckOnline（void）检查如没有返回标记_EEPROM_IS_INITIALIZED_，应用层软件将使用缺省设置来初始化EEPROM。M30620SPGP MCU首先被初始化。然后，包括系统资源、藉资源工具ResBuilder生成的数据、系统定时器、按键输入、遥控输入和I2C总线在内的整个系统进行初始化。借着用户输入包括按键或遥控输入被转换成以字节为单位的虚拟键数值, 以及对重复键的处理推进到虚拟键值缓冲器中。而驱动的API是：

Void tdInitKeyboard(Word wFirstDelay,Word wRepeatDelay);

Void tdInitRemoteEx(RPByte rpData, Word wFirstDelay, Word wRepeatDelay);


应用层程式的主回路使用来自缓冲器, 调用Byte tdGetVirtualKey（void）函数就得到虚拟键值。如果缓冲器中没有虚拟键，EXAPI将调用回函数Void tdCallBackIdle（Void），这要保证后台工作的运行, 甚至当前工作正在处理OSD菜单期间, 也没有影响。而所有处理后台工作的模块都按照其标记变换而执行的。并且所有这些标记都可以根据用户输入、模式的切换和信号检测进行改变。后台作业处理包括搜台、声音处理、频道选择和信号处理等。所有背景模块的流程图均显示如下（图8）：

图8: 主要处理流程图

EXAPI提供了两种定时器回叫功能，这是可通过应用层软件来实现的。

Void tdCallBack1ms(Void);

Void tdCallBack20ms(Void);


而这些都是系统定时中断程序，至于Void tdRemoteService（Void）功能是处理遥控输入的中断程序。系统在电源接通之后有许多种模式。在待机模式下，液晶电视仅等候接受控键或遥控输入。但显示器的其他部分关闭，并进入节电模式。在正常的模式下，整机操作正常进行，除非收到_VK-POWER_信号, 它关闭系统并进入待机模式。该程序也可以能够进入工厂模式。这个模式强迫液晶电视接受工厂设置或进行系统老化测试，这会使电视面板重复地显示出红、蓝、绿或白色屏幕。至于在多重视窗的状态下, 可以在显示层上产生九个视窗的排列, 每个小窗口一次显示一个频道并将其定格。然后，下一个频道在下一个窗口上显示，如此类推。

所有模式均有其自己的指令和OSD处理。例如，在正常模式下，按下菜单键显示画面设置菜单（图9）。有四种画面设定模式可以选择——生动、标准、柔和和自定义。接下一行OSD的显示，我们控制对比度、亮度、饱和度、色调和锐利度等。与画面设置摸式相似的是声音处理菜单, 用来控制声音和音量大小（图10）。至于设置菜单是为搜台及设定电视系统而有的（图13）。信号源输入是藉着信源菜单来选择的, 例如是对AV/SV/PC/HDTV/HDMI的切换。屏幕菜单是针对调整输入RGB信号的通道, 控制其在电视屏幕的位置及显示模式（图11）。还有一个选择菜单对系统语言、蓝屏等进行设置（图12）。

图9 视频调整                        图10 音频调整

         图11 RGB屏幕控制    图12 选择设置

图13 电视频道设置

另外只有HK-Model才有的时钟菜单，用来设置系统时钟和电源开关时间。而美国电视家长指导系统连同美国电影协会分级系统就只在US-Model的家长等级分类控制菜单上操作。 

图14和15显示了这菜单（仅用于US-Model）。这系统专门设计为电视节目划分等级和类别, 并且连同V-CHIP一起使用的。V-CHIP是一个通用术语, 用于作为一个电视接收器的功能特征, 对其特定的节目内容进行判别和管制。该功能旨在通过父母监控他们的孩子所观赏的电视节目。

图14 家长等级分类控制图15 等级分类的设置

4.结论

在这快速日益增长的液晶电视市场中，带有泰鼎SVPTMEX52的M16C平台是一个设计取胜的解决方案，其目标是26英寸以上的液晶电视。

与其他解决方案相比，它采用了先进的显示技术，具有最好的画面质量。此外，M16C MCU在满足消除EMI/EMS噪声、高度有效的编码和适当的价格等需求方面具有显着的优势。这两个液晶电视项目的规格如表3所示。

表3 当前的液晶电视项目规格表

	HK-Model
面板系统	32英寸LCD面板
显示器分辨率	垂直1366像素×水平768像素
对比度	800:1
亮度	1000 cd/m2
电视系统	PAL/NTSC
颜色数量	16.7百万
视角	170ﾟ/170ﾟ
输入/输出	AV1 AV2 AV3 AV4 AV5   音频输出 TV输出	视频输入/音频（L/R） S S-Video输入/音频（L/R） HDTV输入/音频（L和R） RGB输入/音频（L和R） HDMI输入
扬声器输出	8W X 2
电源	100~240V
尺寸	950mm(W) X 250mm(D) X 585.6mm(H)
重量（净重）	48.9磅

目前，欧洲版本正在开发当中。是一个PAL/SECAM制式的新项目, 并支持图文, 画中画及画外画等众多功能。