基于CTV100平臺(tái)的DPTV系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

摘要:本文從硬件和軟件兩方面詳細(xì)闡述了基于CTV100平臺(tái)的DPTV系統(tǒng),并給出了總體設(shè)計(jì)框圖和設(shè)計(jì)流程圖。本項(xiàng)目采用意法半導(dǎo)體公司(ST)的CTV100解決方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)模擬電視信號(hào)的高效數(shù)字域處理,顯著提高了電視畫面的圖像質(zhì)量;并通過采用基于32bitCPU的OS20嵌入式操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多種傳統(tǒng)模擬電視無法實(shí)現(xiàn)的功能。
關(guān)鍵詞:數(shù)字處理電視;嵌入式操作系統(tǒng);狀態(tài)機(jī);上變頻

DPTV ,即數(shù)字處理電視,它是在模擬廣播電視傳輸體制下,將接收到的模擬全電視信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和傳輸,最后再經(jīng)過D/ A 轉(zhuǎn)換電路,重新轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并顯示播出的彩色電視接收機(jī)。DPTV 與傳統(tǒng)模擬電視的最大區(qū)別在于:它將接收到的模擬全電視信號(hào)首先經(jīng)過電視機(jī)內(nèi)部數(shù)字芯片的圖像、伴音全數(shù)字處理后才輸出顯示。因此,其整體性能與傳統(tǒng)的模擬電視相比有了大幅提高。本文介紹的系統(tǒng)為兩片方案,硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;軟件系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì)及模塊化設(shè)計(jì)的思想,層次分明,結(jié)構(gòu)合理;項(xiàng)目采用了專門針對(duì)嵌入式系統(tǒng)圖形界面開發(fā)的PEG工具,使得本系統(tǒng)開發(fā)的菜單和游戲具有較好的視覺效果，對(duì)于DPTV電視是一個(gè)很好的解決方案。

硬件平臺(tái)的構(gòu)建

總體設(shè)計(jì)框圖及硬件平臺(tái)
總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。STV2310是用于處理標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào),并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出的高品質(zhì)視頻處理前端芯片。它能夠處理的信號(hào)包括NTSC/PAL/SECAM制式的CVBS電視信號(hào),以及模擬的RGB和YCrCb信號(hào)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

STV3500是專用于100Hz TV解決方案的一款低成本、高集成度處理器芯片,可給予STV2310以有力支持。其內(nèi)部包括行、場(chǎng)倍頻器,可控制機(jī)內(nèi)各外設(shè)的接口和一個(gè)32位ST20系列CPU內(nèi)核,以及可顯示文字與圖片的內(nèi)部OSD生成器,可以接收復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)視頻解碼芯片(STV2310)傳輸?shù)姆螴TU2RBT.601/656標(biāo)準(zhǔn)的視頻流。

顯示處理模塊由STV9211和STV9118兩芯片共同組成。STV9211用于將STV3500輸出的RGB信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大處理并提供對(duì)亮度、對(duì)比度、驅(qū)動(dòng)電平及黑電平的調(diào)節(jié)功能。STV9118用于實(shí)現(xiàn)所有與行場(chǎng)偏轉(zhuǎn)相關(guān)的功能。這些功能都通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)切換模塊由CD4052芯片組成,它主要完成各種視頻輸入信號(hào)之間的切換。

系統(tǒng)工作流程
整個(gè)DPTV系統(tǒng)大致分為三個(gè)部分,即底板部分、數(shù)字板部分和顯示部分。其中底板部分和顯示部分是與傳統(tǒng)模擬電視相同的,而系統(tǒng)的數(shù)字板部分是傳統(tǒng)模擬電視所不具備的,是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。

經(jīng)底板部分調(diào)諧器(tuner)模塊對(duì)高頻信號(hào)的調(diào)諧選擇,電視信號(hào)被送入電視接收機(jī)。混頻后,中頻的電視信號(hào)被送入中頻處理芯片進(jìn)行處理,從中提取出的全電視信號(hào)和音頻信號(hào)被分別送入各自的解碼芯片中進(jìn)行處理。全電視信號(hào)被傳送到數(shù)字板上的STV2310中。A/D轉(zhuǎn)換模塊STV2310接收來自電視機(jī)底板的各種模擬電視信號(hào),在將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,送入STV2310的亮色分離模塊,由于STV2310采用的數(shù)字梳狀濾波器性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬電視的模擬亮色分離模塊,亮、色信號(hào)間的串?dāng)_可獲得最大限度的降低,使得圖像的質(zhì)量極大改善。之后,亮度、色度信號(hào)被分別處理后重新組合并按4∶2∶2YCrCb的格式輸出。其輸出將被送入中央處理器芯片STV3500。

在STV3500中,輸入的視頻數(shù)據(jù)流首先被轉(zhuǎn)換成需要的顯示格式。上變頻技術(shù)是采取場(chǎng)頻加倍(50Hz增加到100Hz)的方式改善傳統(tǒng)模擬電視由于場(chǎng)頻較低而引起的大面積閃爍,使圖像更為穩(wěn)定、流暢。此芯片可根據(jù)上變換的模式,產(chǎn)生出正確的視頻顯示序列。在經(jīng)過芯片內(nèi)各圖像增強(qiáng)技術(shù)的處理后,電視菜單、光標(biāo)和背景將被疊加到電視圖像上,最后,此疊加信號(hào)將被送至連接于STV3500之后的視頻顯示模塊。在視頻顯示模塊中對(duì)圖像的顯示效果進(jìn)行一些必要的處理后,圖像將以RGB格式送入DPTV系統(tǒng)的顯示部分顯示。

軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

軟件架構(gòu)
本項(xiàng)目軟件系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)可以劃分為四個(gè)層次,即系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層、服務(wù)層、以及應(yīng)用層。采用這種結(jié)構(gòu),使得整個(gè)系統(tǒng)具有較高的靈活性,易于移植,便于理解和開發(fā)。
1)系統(tǒng)層。用來為其他三層提供操作系統(tǒng)功能接口。本系統(tǒng)采用了OS20實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)提供了操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),使其它各層能夠完全獨(dú)立于操作系統(tǒng)。
2)驅(qū)動(dòng)層。直接與硬件打交道的一層,本層采用模塊化的設(shè)計(jì)思想,不同的芯片或芯片功能被劃分為不同的模塊,每個(gè)驅(qū)動(dòng)層模塊為上層訪問該芯片或芯片功能提供接口。
3)服務(wù)層。位于驅(qū)動(dòng)層之上,該層整合驅(qū)動(dòng)層模塊功能,為其上層應(yīng)用層提供接口。
4)應(yīng)用層。是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心部分,用戶菜單就是在這一層生成的,同時(shí),整個(gè)軟件系統(tǒng)的管理也在這一層實(shí)現(xiàn)。

軟件流程
程序流程圖如圖2所示。

圖2DPTV的軟件流程圖

在操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化完成之后,中斷、句柄、信號(hào)量等系統(tǒng)必備要素也接著被初始化,這時(shí)整個(gè)操作系統(tǒng)就完全運(yùn)行起來了。隨后,系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建其主任務(wù),其他所有分任務(wù)都是在這個(gè)主任務(wù)中被創(chuàng)建的。在完成各個(gè)驅(qū)動(dòng)層模塊、服務(wù)層模塊的初始化之后,根據(jù)系統(tǒng)模塊的劃分,操作系統(tǒng)會(huì)創(chuàng)建多個(gè)分任務(wù),以后針對(duì)不同模塊的控制都由這些模塊對(duì)應(yīng)的任務(wù)進(jìn)行。之后,主任務(wù)就進(jìn)入無限循環(huán)等待外部消息的到來,負(fù)責(zé)管理OSD菜單的Peg任務(wù)也進(jìn)入無限循環(huán)等待外部消息觸發(fā)。其中運(yùn)用了狀態(tài)機(jī)這一機(jī)制來實(shí)現(xiàn)對(duì)大量不同消息的處理。當(dāng)用戶需要關(guān)閉電視時(shí),操作系統(tǒng)首先將各個(gè)分任務(wù)刪除,釋放信號(hào)量、句柄等資源并結(jié)束主任務(wù),此時(shí),系統(tǒng)只運(yùn)行操作系統(tǒng)最基本的功能以等待用戶再一次激活整個(gè)系統(tǒng)。

狀態(tài)機(jī)機(jī)制是整個(gè)軟件系統(tǒng)的核心。當(dāng)用戶按下遙控器或機(jī)身前面板按鍵時(shí),消息被送入循環(huán)等待消息的主狀態(tài)機(jī)。主狀態(tài)機(jī)分析處理消息,并通過驅(qū)動(dòng)層模塊對(duì)底層相應(yīng)芯片進(jìn)行操作以按用戶要求改變電視機(jī)狀態(tài),同時(shí)通過ap_mmi_KeyStrike()函數(shù)向用戶界面層中的Peg任務(wù)傳遞消息,請(qǐng)求菜單改變。Peg狀態(tài)機(jī)接受處理來自主狀態(tài)機(jī)的消息并按照要求改變用戶界面,如果有需要,Peg狀態(tài)機(jī)還可以通過回調(diào)函數(shù)ap_cmd_PegCallBack()向底層請(qǐng)求執(zhí)行硬件操作。

系統(tǒng)性能分析

與傳統(tǒng)模擬電視及其他DPTV相比,本系統(tǒng)采用了多項(xiàng)獨(dú)有技術(shù),使得電視畫面的質(zhì)量得到了顯著改善。本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括:
1)STV3500內(nèi)嵌的32bit100MHzCPU.這樣大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,為系統(tǒng)提供高質(zhì)量的畫面質(zhì)量提供了保證。
2)獨(dú)有的上變頻算法。該算法提供了多種模式(AA*B*B、ABAB、Proscan場(chǎng)合并或內(nèi)插模式)的上變換以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和輸入信號(hào)類型。根據(jù)信號(hào)來源,CPU會(huì)自動(dòng)選擇優(yōu)化的倍頻模式處理數(shù)據(jù)。
3)特有的OSD生成器以及圖像合成器。用于各圖層的疊加,內(nèi)嵌的2D加速引擎可加快圖像的顯示速度;支持256色顯示,支持256級(jí)透明度設(shè)置,使系統(tǒng)的菜單和游戲色彩搭配更加豐富。
4)圖像增強(qiáng)模塊。在STV3500內(nèi)部,通過各種數(shù)字域處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量。這些技術(shù)主要包括:色度順態(tài)增強(qiáng),3D瞬時(shí)降噪,運(yùn)動(dòng)估計(jì),對(duì)比度增強(qiáng)等。