隨著ADI Blackfin系列等低功耗定點(diǎn)處理器的性能和普及程度的提高，它們可以為越來(lái)越多的多媒體應(yīng)用提供服務(wù)。這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用需要小型低功率液晶顯示器（LCD）面板，其通常具有比用于廣播電視的完整NTSC / PAL視頻更低的視頻分辨率。這些面板通常由微控制器或?qū)Ｓ肔CD控制器芯片控制。但是今天，Blackfin處理器具有足夠的性能來(lái)處理信號(hào)處理和控制功能，并且還可以直接連接到LCD顯示器 - 大大降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。本文將討論ADSP-BF561 Blackfin處理器的并行外設(shè)接口（PPI）如何將LCD顯示功能集成到高性能介質(zhì)處理領(lǐng)域，允許單個(gè)處理器用于系統(tǒng)處理和顯示驅(qū)動(dòng)。

被動(dòng)與主動(dòng)

LCD陣列技術(shù)有兩大類(lèi) - 被動(dòng) - 矩陣和活動(dòng) - 矩陣。

在前者中，印有行的玻璃基板形成液晶夾層，其中基板印有柱。像素在行 - 列交叉點(diǎn)處定義。為了激活給定像素，定時(shí)電路激勵(lì)像素列，同時(shí)使其行接地。由此產(chǎn)生的電壓差使液晶在該像素位置附近不透明，阻擋光線通過(guò)。

雖然很簡(jiǎn)單，但無(wú)源矩陣技術(shù)確實(shí)存在一些缺點(diǎn)。例如，屏幕刷新時(shí)間相對(duì)較慢（對(duì)于快速移動(dòng)的圖像，可能會(huì)導(dǎo)致重影）。此外，存在行 - 列交叉處的電壓場(chǎng)滲透到相鄰像素中的趨勢(shì)，部分地解開(kāi)液晶并阻擋一些光穿過(guò)周?chē)南袼貐^(qū)域。其效果是模糊圖像中的邊緣并降低對(duì)比度。

使用類(lèi)似IC的制造工藝的有源矩陣LCD技術(shù)是一項(xiàng)重大改進(jìn)。每個(gè)像素都有一個(gè)電容，用于在刷新周期之間保持電荷，以及一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)（引起流行的術(shù)語(yǔ)，薄膜晶體管 -TFT-顯示器）。為了尋址特定像素，其行被啟用，并且電壓被施加到其列。這具有僅隔離感興趣的像素的效果，因此附近的其他像素不受影響?？刂平o定像素的電流減小，因此像素可以更快的速率切換，導(dǎo)致TFT與無(wú)源顯示器相比更快的刷新率。更重要的是，調(diào)制施加到像素的電壓電平允許許多不連續(xù)的亮度級(jí)別。今天，通常有256級(jí)，相當(dāng)于8位強(qiáng)度。

對(duì)于彩色顯示器，每個(gè)像素實(shí)際上有三個(gè)子像素 - 紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）濾鏡 - 人眼看作是一個(gè)單色斑點(diǎn)。例如，320×240像素顯示器實(shí)際上具有960×240個(gè)子像素，占R，G和B分量。每個(gè)子像素具有8位強(qiáng)度，因此形成了普通24位彩色LCD顯示器的基礎(chǔ)。

由于LCD技術(shù)依賴(lài)于調(diào)節(jié)像素級(jí)的光通過(guò)，人們可能會(huì)想知道光會(huì)在哪里產(chǎn)生。許多小型，低成本的單色LCD是反射，這意味著外部光線從基板反射，但在液晶段充電的區(qū)域被阻擋。

自TFT彩色顯示器有數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管可以過(guò)濾入射光，反射式顯示器在有源矩陣技術(shù)中不會(huì)有效。相反，顯示器是背光（或透射）;典型地，集成在顯示器中的熒光燈或白色發(fā)光二極管（LED）陣列產(chǎn)生的光在通過(guò)LCD“三明治”的各個(gè)層傳輸時(shí)被調(diào)制。不幸的是，晶體管消耗的大表面積需要來(lái)自背光的更大的光輸出。此外，TFT顯示器的每個(gè)晶體管都會(huì)消耗功率，因此有源矩陣顯示器與其被動(dòng)同類(lèi)產(chǎn)品相比有點(diǎn)耗電。

TFT-LCD系統(tǒng)的組件

連接考慮到所涉及的所有不同組件，TFT-LCD面板看起來(lái)很復(fù)雜。首先，有一個(gè)面板本身，它包含一排像素，用于按行和列高速選通，參考像素時(shí)鐘頻率。

背光通常是冷陰極熒光燈（CCFL）。在CCFL中，激發(fā)的氣體分子發(fā)出強(qiáng)光，同時(shí)產(chǎn)生非常少的熱量。這種低功耗，耐用性，長(zhǎng)壽命和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)要求使其成為L(zhǎng)CD面板應(yīng)用的理想選擇。如上所述，LED也是一種流行的背光方法，主要用于中小尺寸的面板。它們具有成本低，工作電壓低，壽命長(zhǎng)，強(qiáng)度控制好的優(yōu)點(diǎn)。然而，在較大的面板中，與CCFL解決方案相比，LED背光可以消耗大量功率。

LCD 控制器包含將輸入視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入視頻信號(hào)所需的大部分電路。適當(dāng)?shù)母袷皆贚CD面板上顯示。它通常包括一個(gè)定時(shí)發(fā)生器，它控制面板上各個(gè)像素的同步和像素時(shí)鐘定時(shí)。此外，它還可以提供各種額外功能，例如屏幕顯示，圖形疊加混合，顏色查找表，抖動(dòng)和圖像旋轉(zhuǎn)。更復(fù)雜的芯片可能非常昂貴，通常超過(guò)它們所連接的處理器的成本。一些媒體處理器，如ADI的Blackfin系列，具有電氣作為L(zhǎng)CD接口的端口，無(wú)需外部芯片。

LCD驅(qū)動(dòng)芯片是產(chǎn)生適當(dāng)電壓所必需的LCD面板的電平。它用作LCD控制器輸出和LCD面板之間的轉(zhuǎn)換器。行和列通常是分開(kāi)驅(qū)動(dòng)的，時(shí)序由定時(shí)發(fā)生器控制。由于直流電流會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力并最終導(dǎo)致劣化，因此必須以周期性極性反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)液晶。因此，根據(jù)實(shí)現(xiàn)，施加到每個(gè)像素的電壓極性在每幀，每行或每像素的基礎(chǔ)上變化。

連接到TFT-LCD模塊

隨著趨向于更小，更便宜的多媒體設(shè)備，推動(dòng)將驅(qū)動(dòng)器，控制器和LCD面板結(jié)合起來(lái)。如今，集成的TFT-LCD模塊包括定時(shí)發(fā)生和驅(qū)動(dòng)電路 - 因此只需要數(shù)據(jù)總線連接，時(shí)鐘/同步線和電源。然而，為了滿(mǎn)足較小PDA型LCD面板中的面板厚度和成本要求，定時(shí)發(fā)生器通常不能集成到LCD模塊中。在這種情況下，需要一個(gè)單獨(dú)的外部時(shí)序ASIC來(lái)產(chǎn)生定時(shí)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)LCD面板的各個(gè)行和列。

然而，ADSP-BF561 Blackfin處理器可以直接通過(guò)并行外設(shè)接口（PPI）連接到許多TFT-LCD模塊。 PPI是一個(gè)多功能并行接口，可配置寬度為8到16位。它支持雙向數(shù)據(jù)流，包括三條同步線和一個(gè)時(shí)鐘引腳，用于連接外部提供的時(shí)鐘。除連接LCD面板外，PPI還可以無(wú)縫解碼ITU-R BT.656數(shù)據(jù)，也可以與ITU-R BT.601視頻流接口。

因?yàn)锳DSP-BF561提供了許多通用功能 - 具有脈沖寬度調(diào)制（PWM）功能的目標(biāo)定時(shí)器，可配置為模塊提供適當(dāng)?shù)腖CD時(shí)序，從而無(wú)需外部時(shí)序ASIC。圖1顯示了Blackfin處理器和TFT-LCD模塊之間基本連接的框圖。還顯示了ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評(píng)估板;它的許多便利提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)開(kāi)始使用各種Blackfin應(yīng)用程序，包括這里討論的應(yīng)用程序。

電源要求

TFT-LCD面板通常需要兩個(gè)獨(dú)立的電源。首先，面板本身具有電源線。雖然LCD面板的電壓供應(yīng)要求不同，但通常的值為3.3 V或5 V.其次，CCFL背光需要高壓電源才能將氣體分子激發(fā)為熒光。該電壓通常在TFT-LCD模塊內(nèi)的單獨(dú)電路板上用dc-ac逆變器產(chǎn)生。另一方面，不需要高壓交流電源的LED背光燈通常可以直接從5V或12V直流電源供電。

時(shí)鐘和同步

像素時(shí)鐘周期定義像素采樣率，因此速度取決于面板分辨率和刷新間隔。例如，具有60Hz刷新率的VGA面板（640×480有源像素）需要250MHz時(shí)鐘，而QVGA面板（320×240有源像素）可以以5MHz運(yùn)行。

< p>同步線控制掃描每條線和視頻幀并在LCD上顯示的時(shí)間。有兩種掃描方法，隔行掃描和漸進(jìn)式掃描。在隔行掃描中，視頻幀的奇數(shù)行首先被繪制到屏幕上，然后填充偶數(shù)行。在逐行掃描中，視頻行按順序連續(xù)顯示。

許多新的逐行掃描TFT-LCD面板使用同步線來(lái)控制每條線和幀的開(kāi)始和結(jié)束位置。水平同步（HSYNC）表示每個(gè)新行的開(kāi)始，而垂直同步（VSYNC）表示每個(gè)新幀的開(kāi)始。它們可確保生成對(duì)齊且可查看的圖像。 HSYNC和VSYNC脈沖的極性以及脈沖寬度的持續(xù)時(shí)間因面板而異。

ADSP-BF561通過(guò)可配置的PWM輸出生成HSYNC和VSYNC信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。這允許調(diào)整特定TFT面板指定的極性，脈沖寬度和周期。

通常，LCD時(shí)序要求指定水平斷言之間的無(wú)效數(shù)據(jù)周期同步信號(hào)和實(shí)際顯示的圖像數(shù)據(jù)。 ADSP-BF561的PPI可以通過(guò)在接收到HSYNC信號(hào)后允許輸出數(shù)據(jù)延遲指定的時(shí)鐘周期來(lái)處理此時(shí)序。

數(shù)據(jù)線

雖然模塊的數(shù)據(jù)接口很簡(jiǎn)單，但在選擇合適的RGB數(shù)據(jù)格式時(shí)需要考慮很多事項(xiàng)。三種最常見(jiàn)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數(shù)據(jù)格式提供最大的色彩清晰度?？偣?4位分辨率，可提供超過(guò)1600萬(wàn)種色調(diào)。這種格式提供了高性能液晶電視所需的精度和分辨率。

6-6-6格式在便攜式電子產(chǎn)品中很受歡迎。 18位分辨率提供超過(guò)262,000種色調(diào)。但是，由于18引腳（6 + 6 + 6）數(shù)據(jù)總線不能很好地符合16位處理器數(shù)據(jù)路徑，因此一個(gè)受歡迎的行業(yè)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位數(shù)據(jù)總線。這種情況很有效，因?yàn)樵谌咧?，綠色是最具視覺(jué)重要性的顏色。紅色和藍(lán)色的最低有效位與面板上各自最高有效位相關(guān)聯(lián)。這確保了每個(gè)顏色通道的完整動(dòng)態(tài)范圍（從完全飽和到全黑）。

系統(tǒng)算法流程

要了解在媒體處理器上模擬LCD控制器所涉及的內(nèi)容（為了更換外部設(shè)備），讓我們看一下顯示傳入原始設(shè)備所涉及的系統(tǒng)流程集成TFT-LCD模塊上的視頻流?？紤]圖2的示例，其中NTSC攝像機(jī)的數(shù)字化輸出提供應(yīng)用于ADSP-BF561處理器的視頻端口的圖像流。我們將討論圖中所示的每個(gè)步驟。

去隔行掃描

在隔行掃描視頻中，NTSC攝像機(jī)在示例中使用，奇數(shù)和偶數(shù)場(chǎng)被分開(kāi)，以便給定幀中的所有奇數(shù)行在任何偶數(shù)行之前被傳送。對(duì)于此示例，來(lái)自攝像機(jī)的視頻流在進(jìn)入視頻端口后必須進(jìn)行解交錯(cuò)。這可以通過(guò)多種方式之一完成，具體取決于所需的輸出質(zhì)量。最簡(jiǎn)單的方法是線加倍，它將每條奇數(shù)線復(fù)制到后續(xù)偶數(shù)線上，有效地消除了偶數(shù)場(chǎng)，有利于奇數(shù)場(chǎng)的移位版本。因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生明顯的偽像，所以經(jīng)常使用更多處理密集型方法。這些包括線性插值，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和中值濾波。后一種方法將每個(gè)像素的強(qiáng)度值替換為其近鄰的中值灰度值，以幫助消除圖像中的高頻噪聲。

掃描速率轉(zhuǎn)換

視頻已被去交錯(cuò)，可能需要掃描速率轉(zhuǎn)換過(guò)程以確保輸入幀速率與輸出顯示 - 刷新速率匹配。為了均衡這兩者，可能需要?jiǎng)h除或復(fù)制字段。與去隔行一樣，需要某種濾波來(lái)消除由于創(chuàng)建突然幀轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的高頻偽像。

色度重采樣和顏色轉(zhuǎn)換（YCrCb - > RGB）

有些相機(jī)以原始形式提供像素信息，與圖像傳感器提供的完全相同。這可能意味著傳感器中每個(gè)像素的紅色，藍(lán)色和綠色值，或者每個(gè)像素的一個(gè)Y，Cr和Cb值。 Y，Cr和Cb在數(shù)學(xué)上與RGB值相關(guān)，但是與RGB數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)性較小，它們?cè)试S更好的壓縮比。然而，更常見(jiàn)的是，相機(jī)輸出利用眼睛生理學(xué)的濃縮流，為綠色（在RGB情況下）或YCrCb空間中的強(qiáng)度（Y）提供更大的權(quán)重。在圖2的示例中，視頻流以4：2：2 YCrCb格式進(jìn)入PPI。 “4：2：2”意味著給定視頻線上的每?jī)蓚€(gè)色度（Cr和Cb）值存在四個(gè)亮度（Y）強(qiáng)度值。每個(gè)（Y，Cb）或（Y，Cr）16位對(duì)表示一個(gè)像素值。

為了在LCD面板上顯示，最終需要將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為RGB空間。更準(zhǔn)確地說(shuō)，它需要轉(zhuǎn)換為R'G'B'空間，這是RGB空間的 gamma 校正版本。伽瑪校正調(diào)整LCD面板的非線性屬性，因?yàn)榻o定像素的亮度不是在該像素位置施加的電壓的線性函數(shù)。不同的伽馬值會(huì)改變圖像中紅色與綠色的比例以及圖像亮度。圖3顯示了在YCrCb空間和R'G'B'坐標(biāo)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的示例方程組。

在R'G'B'轉(zhuǎn)換之前，必須重新采樣Cb和Cr通道實(shí)現(xiàn)4：4：4格式，其中Y，Cb和Cr各一個(gè)字節(jié)代表一個(gè)像素值，如圖4所示。重采樣的明確方法是從最近鄰居插入缺失的色度值通過(guò)簡(jiǎn)單的平均。某些應(yīng)用程序可能需要更高階的過(guò)濾，但這種簡(jiǎn)化的方法通常就足夠了。實(shí)際上，色度重采樣和色彩空間轉(zhuǎn)換的步驟都可以作為單個(gè)操作執(zhí)行，因?yàn)槊總€(gè)離散步驟都涉及線性像素操作。

縮放

下一步，視頻縮放非常重要，因?yàn)樗试S生成分辨率與輸入格式不同的輸出流。理想情況下，固定縮放要求（輸入數(shù)據(jù)分辨率，輸出面板分辨率）是提前知道的，以避免輸入和輸出流之間任意縮放的計(jì)算負(fù)荷。作為一種更簡(jiǎn)單，更便宜的選項(xiàng)，可以裁剪處理后的圖像以適應(yīng)較小LCD面板的范圍。

根據(jù)應(yīng)用的不同，可以向上或向下進(jìn)行縮放。重要的是理解要縮放的圖像內(nèi)容的性質(zhì)（例如，文本和細(xì)線的存在）。不正確的縮放可能會(huì)使文本無(wú)法讀取或?qū)е履承┧骄€在縮放圖像中消失。

最直接的縮放方法包括丟棄像素或復(fù)制現(xiàn)有像素。也就是說(shuō)，當(dāng)縮小到較低分辨率時(shí)，可以丟棄每行上的多個(gè)像素（和/或每幀的一些行數(shù)）。雖然這表示處理負(fù)荷較低，但結(jié)果會(huì)產(chǎn)生混疊和視覺(jué)偽影。

復(fù)雜性向上一小步使用線性插值來(lái)提高圖像質(zhì)量。例如，當(dāng)縮小圖像時(shí)，在水平或垂直方向上的插值提供新的輸出像素以替換插值過(guò)程中使用的像素。與之前的技術(shù)一樣，信息仍然被丟棄，因此將再次出現(xiàn)偽像和鋸齒。

如果圖像質(zhì)量至關(guān)重要，還有其他方法可以執(zhí)行縮放 - 而不會(huì)降低質(zhì)量。這些方法努力保持圖像的高頻內(nèi)容與水平和垂直縮放一致，同時(shí)減少混疊的影響。例如，假設(shè)圖像將按因子 Y × X 進(jìn)行縮放。為了實(shí)現(xiàn)這種縮放，可以通過(guò)因子 Y 對(duì)圖像進(jìn)行上采樣（插值），濾波以消除混疊，然后通過(guò)因子 X進(jìn)行下采樣（抽?。?。實(shí)際上，這兩個(gè)采樣過(guò)程可以在一個(gè)多速率濾波器中組合。

位提取/字節(jié)封裝

如前所述，最好在每個(gè)輸出LCD上傳輸16位時(shí)鐘周期。這個(gè)5-6-5位打包可以用源數(shù)據(jù)完成。 Blackfin架構(gòu)提供了兩種有效方法來(lái)創(chuàng)建所需的字節(jié)流。第一種是簡(jiǎn)單地將每種顏色（紅色，藍(lán)色和綠色）中的適當(dāng)位移到目標(biāo)寄存器中。第二種方法是利用EXTRACT / DEPOSIT指令對(duì)從特定的位位置開(kāi)始拉出一些位，然后將結(jié)果存入目標(biāo)寄存器。

應(yīng)用說(shuō)明EE-256提供了系統(tǒng)的詳細(xì)說(shuō)明，其中安裝在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評(píng)估板上的處理器從DVD播放器接收流式視頻輸入并連接到TFT-LCD模塊。 Blackfin生成所有必要的時(shí)序并執(zhí)行抽取，顏色轉(zhuǎn)換，重采樣和輸出格式化。詳細(xì)描述了系統(tǒng)數(shù)據(jù)流和緩沖區(qū)管理，并提供了具有特定LCD模塊的工作應(yīng)用程序的示例代碼供下載。

結(jié)論

由于其性能和受歡迎程度， Blackfin處理器系列的成員正在服務(wù)于越來(lái)越多的多媒體應(yīng)用。它們?cè)谛枰⌒停凸?，中等分辨率液晶顯示器（LCD）面板的顯示器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中特別有用。對(duì)于這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用，Blackfin處理器具有足夠的性能來(lái)處理信號(hào)處理和控制功能，并且還可以直接連接到LCD顯示器 - 大大降低了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。本文介紹了如何通過(guò)采用ADSP-BF561 Blackfin處理器的備用計(jì)算能力及其并行外設(shè)接口的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)。