TVP5150的低功耗視頻解碼模塊

　　0 引言

　　隨著便攜式多媒體終端需求量迅速增加，在視頻解碼等方面對(duì)芯片低功耗的要求也越來(lái)越高。因此，只有將模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為符合ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，才可方便地利用FPGA或者DSP甚至PC機(jī)來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。本模塊就是利用TI公司的超低功耗TVP5150芯片對(duì)視頻信號(hào)A／D解碼，由單片機(jī)通過(guò)I2C總線(xiàn)控制，預(yù)留地址數(shù)據(jù)等接口，作為模塊驗(yàn)證以及后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理之用。

　　1模塊硬件構(gòu)成

　　1.1系統(tǒng)基本構(gòu)成

　　系統(tǒng)總體構(gòu)成框圖如圖1所示。

　　TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能視頻解碼器，在正常工作時(shí)，它的功耗僅115 mW，并且具有超小封裝(32腳的TQFP)，因此非常適用于便攜、批量大、高質(zhì)量和高性能的視頻產(chǎn)品。它可以接收2路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)或1路S-Video信號(hào)。通過(guò)單片機(jī)I2C總線(xiàn)設(shè)置內(nèi)部寄存器，可以輸出8位4：2：2的ITU-R BT.656信號(hào)(同步信號(hào)內(nèi)嵌)，以及8位4：2：2的ITU-R BT.601信號(hào)(同步信號(hào)分離，單獨(dú)引腳輸出)。

　　單片機(jī)選用TI公司的MSP430F2013，超低功耗，有2 kB+256 B Flash存儲(chǔ)器和128 B RAM，14腳超小封裝(TSSOP)。其功耗是一般單片機(jī)的1／5，特別適合于手持設(shè)備，在1.8 V～3.6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在0.1 μA～400 μA之間(因工作模式不同而不同)。單片機(jī)通過(guò)MAX3232與串口連接，由PC機(jī)通過(guò)串口對(duì)單片機(jī)在線(xiàn)編程，方便對(duì)單片機(jī)程序及時(shí)修改。由PC設(shè)置并且隨時(shí)調(diào)整TVP5150的內(nèi)部寄存器，控制其工作狀態(tài)，輸出信號(hào)等。單片機(jī)預(yù)留控制口，以增加本模塊的可擴(kuò)展性。

　　74HC16245總線(xiàn)控制器用來(lái)提高本模塊輸出信號(hào)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，它是可選部分，視需要可將信號(hào)直通以降低模塊功耗。如果有多個(gè)模塊組合工作，由單片機(jī)對(duì)74HC16245使能控制，協(xié)調(diào)各模塊信號(hào)輸出。

　　驗(yàn)證模塊主要由SAA7121視頻編碼芯片構(gòu)成，可將8位4：2：2的ITU-R BT.656或者ITU-R BT.601輸入信號(hào)編碼成CVBS信號(hào)或S-Video信號(hào)輸出。如果TVP5150解碼模塊工作正常，利用此驗(yàn)證模塊可以得到模擬視頻信號(hào)，接人顯示設(shè)備可得到輸入圖像。

　　1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　TVP5150芯片應(yīng)用原理圖如圖2所示。芯片采用14.318 18 MHz晶振，數(shù)字和模擬輸入電壓為1.8 V，IO口電壓為3.3 V；信號(hào)輸入有CH1和CH2兩路，并且都進(jìn)行阻抗匹配設(shè)計(jì)，防止對(duì)輸入信號(hào)的反射；YOUT[0：7]輸出8路YCbCr信號(hào)，消隱信號(hào)可選擇單獨(dú)引腳HSYNC和VSYNC輸出，或者內(nèi)嵌于這8路信號(hào)中。PCLK／SCLK腳時(shí)鐘信號(hào)可輸出13.5 MHz和27 MHz兩種頻率。

　　2模塊程序構(gòu)成

　　本模塊主要由PC機(jī)與單片機(jī)串口通信程序和單片機(jī)與TVP5150的I2C控制程序兩部分軟件組成。

　　2.1 PC機(jī)與單片機(jī)串口通信程序

　　PC機(jī)與單片機(jī)通信協(xié)議見(jiàn)表1。

　　注：帶引號(hào)部分為傳輸數(shù)據(jù)頭，供單片機(jī)識(shí)別處理；Addr為地址；Data為數(shù)據(jù)。

　　本程序在dephi7.0開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成設(shè)計(jì)，配置文件為txt格式，能讀取和保存配置文件，在配置表格中能對(duì)配置文件進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，能選取配置文件中的寄存器信息通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，并且能讀取單片機(jī)發(fā)送來(lái)的寄存器信息。

　　程序分為前臺(tái)的界面處理與后臺(tái)數(shù)據(jù)和功能處理兩層。前臺(tái)只負(fù)責(zé)界面的設(shè)置與動(dòng)作，對(duì)表格中一切數(shù)據(jù)的處理都在后臺(tái)。通過(guò)SPcomm串口通信控件進(jìn)行串口通信操作。定義Sendlist和Revlist兩個(gè)類(lèi)，將所有允許發(fā)送項(xiàng)存入Sendlist，然后通過(guò)串口發(fā)送，而接收到的單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)存入Revlist。然后，將Sendlist和Revlist兩者進(jìn)行對(duì)比。如果相同，則存儲(chǔ)，并在表格中顯示；否則，報(bào)錯(cuò)處理。每發(fā)送一個(gè)寄存器項(xiàng)有一定的延時(shí)用于單片機(jī)處理。軟件有超時(shí)設(shè)置，如果發(fā)送5 s后無(wú)法接收到單片機(jī)回復(fù)數(shù)據(jù)，則判斷為超時(shí)出錯(cuò)。

　　本程序流程如圖3所示。

　　2.2 單片機(jī)程序

　　單片機(jī)程序完成串口通信和I2C總線(xiàn)控制兩個(gè)功能。

　　圖4為I2C時(shí)序圖。I2C總線(xiàn)是由數(shù)據(jù)線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL構(gòu)成的串行總線(xiàn)，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。I2C總線(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中有以下3種類(lèi)型信號(hào)：

　　a)開(kāi)始信號(hào)(Start)。SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。
　　b)結(jié)束信號(hào)(Stop)。SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。
　　c)應(yīng)答信號(hào)(AcK)。接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。

　　I2C總線(xiàn)在傳送數(shù)據(jù)時(shí)，必須保證在SCL高電平時(shí)SDA上數(shù)據(jù)穩(wěn)定，否則就判斷為開(kāi)始或結(jié)束信號(hào)。

　　單片機(jī)內(nèi)程序按照通信協(xié)議與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，然后識(shí)別數(shù)據(jù)頭，按協(xié)議分別處理，經(jīng)由I2C總線(xiàn)，對(duì)TVP5150內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。單片機(jī)通信收發(fā)主程序由C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)串口中斷接收PC機(jī)數(shù)據(jù)，判斷接收的是數(shù)據(jù)頭還是有效數(shù)據(jù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)頭R時(shí)，回發(fā)PC機(jī)r，然后將后面的1個(gè)字節(jié)地址，由I2C總線(xiàn)操作讀出TVP5150該地址寄存器中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口回發(fā)給PC機(jī)。如果幀頭是W，回發(fā)PC機(jī)w，并且緩存它后面2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，第1個(gè)字節(jié)為T(mén)VP5150寄存器地址，第2個(gè)為寫(xiě)入該寄存器的數(shù)據(jù)。通過(guò)I2C總線(xiàn)完成此寫(xiě)操作，并讀出寫(xiě)入數(shù)據(jù)后寄存器中數(shù)據(jù)，通過(guò)串口回發(fā)給PC機(jī)，以備PC機(jī)端軟件校驗(yàn)。

　　3主要視頻信號(hào)

　　3.1輸出信號(hào)

　　模塊將模擬視頻信號(hào)解碼成符合ITU-R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)，輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數(shù)字信號(hào)。同步信號(hào)內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中串行輸出，也可以單獨(dú)引腳與數(shù)據(jù)流并行輸出。 圖5所示為完整一幀數(shù)據(jù)，分奇偶兩場(chǎng)，23～311行是偶數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)，366～624行是奇數(shù)場(chǎng)數(shù)據(jù)，其余為場(chǎng)控制信號(hào)或者無(wú)效數(shù)據(jù)。FID為奇偶場(chǎng)指示信號(hào)，在場(chǎng)同步信號(hào)(VSYNC)下降沿跳變。VBLK為場(chǎng)消隱信號(hào)，高電平有效，可以通過(guò)設(shè)置TVP5150寄存器來(lái)改變其長(zhǎng)短，控制有效圖像數(shù)據(jù)輸出，因?yàn)樵赩BLK信號(hào)低電平期間對(duì)應(yīng)輸出視頻有效數(shù)據(jù)。

　　每一行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖6所示。每行開(kāi)始的288字節(jié)為行控制信號(hào)，開(kāi)始的4字節(jié)為EAV(有效視頻結(jié)束)信號(hào)，緊接著280個(gè)固定填充數(shù)據(jù)，最后4個(gè)字節(jié)是SAV(有效視頻起始)信號(hào)。SAV信號(hào)和EAV信號(hào)有3字節(jié)的前導(dǎo)：FF、FF、00；最后1字節(jié)XY表示該行位于整個(gè)數(shù)據(jù)幀的位置以及如何區(qū)分SAV、EAV信號(hào)。

　　XY各位的含義如圖7所示。圖中最高位是固定數(shù)據(jù)1，F(xiàn)=0表示偶數(shù)場(chǎng)，F(xiàn)=1表示奇數(shù)場(chǎng)；V=0表示該行為有效視頻數(shù)據(jù)，V=1表示該行沒(méi)有有效視頻數(shù)據(jù)；H=0表示為SAV信號(hào)，H=1表示為EAV信號(hào)；P3～P0為保護(hù)信號(hào)，由F、V、H信號(hào)計(jì)算生成。

　　3.2 AVID截取

　　AVID信號(hào)是TVP5150產(chǎn)生的專(zhuān)有信號(hào)，是有效視頻數(shù)據(jù)指示信號(hào)，AVID低電平時(shí)輸出數(shù)據(jù)無(wú)效，高電平有效。這樣就提供了一種控制TVP5150輸出視頻數(shù)據(jù)帶寬的方法。通過(guò)寄存器設(shè)置，控制AVID的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)機(jī)，同時(shí)對(duì)VBLK信號(hào)起始時(shí)機(jī)進(jìn)行控制，那么就能從一幀圖像中截取某些部分輸出，如圖8所示。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本模塊的調(diào)試結(jié)合了SAA7121視頻編碼模塊。由視頻信號(hào)發(fā)生器輸出模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)本模塊解碼，轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)，再由SAA7121模塊轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)接入顯示設(shè)備，如果模塊運(yùn)行正常，就可以看到顯示設(shè)備上對(duì)應(yīng)的輸入畫(huà)面。第1步將RGB各單色視頻信號(hào)輸入，通過(guò)示波器觀(guān)察輸出視頻及各同步信號(hào)，時(shí)序正常后，經(jīng)SAAT121模塊接入顯示設(shè)備。得到正確圖像后，模塊由DVD機(jī)輸入CVBS信號(hào)，顯示設(shè)備得到正常影像則調(diào)試基本完成。調(diào)試的主要工作在于TVP5150的內(nèi)部寄存器正確設(shè)置及其改變對(duì)輸出各信號(hào)的影響。如果開(kāi)啟74HC16245，那么本實(shí)驗(yàn)?zāi)K總功耗在200 mW左右；關(guān)閉則功耗可控制在130 mW左右。可見(jiàn)，本視頻解碼模塊的功耗參數(shù)非常低，如果優(yōu)化單片機(jī)程序，還可進(jìn)一步降低功耗。本模塊將模擬復(fù)合視頻信號(hào)解碼成符合ITU-RBT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號(hào)輸出。方便利用FPGA、DSP等進(jìn)行數(shù)字視頻信號(hào)輸出，方便利用FPGA、DSP等進(jìn)行數(shù)字視頻圖像去隔行，方便利用FPGA等進(jìn)行數(shù)字視頻力圖像去隔行，分辨率轉(zhuǎn)換甚至MPEG編碼等處理。