（微电子学与固体电子学专业论文）视频格式转换芯片中osd系统的研究与设计.pdf

中文摘要 本项目拟研发的是一款新型多功能视频图像格式转换芯片，并开发出一种可 重构和再配置的s o c 平台以方便研发各类对成本和配置有不同要求的面向 p d p 、液晶、背投等新型显示器的转换芯片。 本文设计并实现了基于视频格式转换芯片的0 s d 系统，实现包括1 2 c 串行通 信，数据通路和0 s d 图像与视频叠加的功能。设计采用自顶向下( t o p d o w n ) 的 设计方法，对设计要求、系统设计、子模块的划分与设计、逻辑综合、形式验证 及功能仿真等内容进行了详细阐述。设计过程中尽可能减少实际使用器件的数量 和降低算法硬件实现的复杂程度。在整体模块的设计过程中，遵循自顶向下的设 计方法，在时序关系和功能分析的基础上完成模块的划分，运用v e r i l o g 硬件描 述语言分别进行各子模块的程序设计，功能仿真，综合以及综合后的门级仿真。 在各子模块设计无误的前提下，完成整体模块的调试，综合和仿真。 在v e r i l o g 程序设计中，将v e r i l o g 源代码的可综合性和设计的可靠性视为 优先考虑的问题。各子模块的源代码全部采用可综合的v e r i l o g 语句编写。采用 单时钟控制，使综合后的设计更加可靠。针对设计的高速要求，优化设计中的关 键路径，将延迟降到最低。在x i li n x 的f p g a 软件平台上综合后，本设计工作频 率可达1 3 9 1 9 8 m h z 。 设计的0 s d 系统具体实现与视频信号的叠加，支持单窗口0 s d 显示、字符不 透明效果和6 种o s d 面板前景与后景颜色的选择等功能，为视频格式转换芯片的 整个平台提供良好的人机互动界面，也为整个系统的调试和验证提供了便利。同 时设计的0 s d 系统提供良好的外部接口，能适用于不同的系统需要，具有很好的 兼容性。 关键词：视频格式转换芯片o s d 系统1 2 c 通信视频叠加 f p g a a b s t r a c r t h ep r o j e c ti st od e s i g nan e w t y p ea n dm u l t i f u n c t i o nv i d e of o r m a tc o n v e r tc h i p ， t o g e t h e rw i t l las o cp l a t f o r m , w h i c hc a nb ec o n f i g u r a b l ei no r d e rt of i tf o rv a r i o u s d i s p l a y i nt h ep a p e r , ad e s i g no fo s d s y s t e m b a s e do nv i d e of o r m a tc o n v e r tc h i pi s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h er e a l i z a t i o no f1 2 cc o m m u n i c a t i o n , d a t a - p a s sa n do v e r l a po f i m a g ea n dv i d e o t h es y s t e ms p e c i f i c a t i o n , c o m p a r t m e n t a l i z a t i o na n dd e s i g no fs u b m o d u l e s ，l o g i cs y n t h e s i s ，f o r m a l i t y , f u n c t i o n a ls i m u l a t i o n , e t c a r ed e s c r i b e di nd e t a i l i nt h i st h e s i s t h en u m b e ro fc o m p o n e n t si sr e d u c e da sf e wa sp o s s i b l es i n c et h e r e d u c t i o no fa r e aa n dp o w e rc o n s u m p t i o no ft h ec h i pi st a k e ni n t op r i o rc o n s i d e r a t i o n i nt h ed e s i g n a tt h es a m et i m e ，r e s o u r c es h a r i n gi sf u l f i l l e da n dt h ec o n t r o lp a r ti s s i m p l i f i e d f o l l o w i n gt o p d o w ni cd e s i g nm e t h o d ，t h ed e s i g ni sd i v i d e di n t os e v e r a l s u b - m o d u l e s ，a n dt h e ya r ed e s c r i b e di nv e r i l o g s e p a r a t ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o n s ， s y n t h e s e s ，a n dg a t e - l e v e ls i m u l a t i o n so f e v e r ys u b - m o d u l ea r ed o n ea tf i r s tb e f o r et h e w h o l es y s t e mi ss y n t h e s i z e da n dd e b u g g e d i nt h ep r o c e s so fw r i t i n gv e r i l o gs o l u c ec o d e s ，t h e i r s y n t h e s i z a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t ya r ec o n s i d e r e da tf i r s t a l lt h es o u l c ec o d e sa r ew r i r e ni ns y n t h e s i z a b l e v e f i l o gs e n t e n c e s s i n g l e - c l o c kc o n t r o li sa p p l i e dt om a k ed e s i g nm o r er e l i a b l ea f t e r s y n t h e s i s k e yp a t h sa r eo p t i m i z e dt om i n i m i z ed e l a y s t h eo p e r a t i n gf r e q u e n c yc a n r e a c h1 3 9 1 9 8 m h za f t e rs y n t h e s i z e do nx i l i n xf p g a p l a t f o r m t h eo s d s y s t e mi sd e s i g n e dt oo v e d a pw i t hv i d e os i g n a l s ，w h i c hs u p p o r t ss i n g l e w i n d o wo s d d i s p l a y , n o n - t r a n s p a r e n tc h a r a c t e re f f e c ta n ds i xc o l o r so fo s d m e n u t h es y s t e mp r o v i d e st h ep l a t f o r mo fv i d e of o r m a tc o n v e r tc h i p 、i t l lt h ei n t e r a c t i n g i n t e r f a c e ，w h i c hw i l lb ec o n v e n i e n tf o rd e b u g g i n ga n dv e r i f i c a t i o no ft h ew h o l e s y s t e m m e a n w h i l e ，t h eo s ds y s t e mi sc o m p a t i b l e ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nd i f f e r e n t s i t u a t i o n s k e yw o r d s ：v i d e of o r m a tc o n v e r tc h i p o s ds y s t e m1 2 cc o m m u n i c a t i o n v i d e oo v e r l a pf p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嚯农聿 签字日期：”，0 6年1 月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫星盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特授权 基垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：耀1 ：耳 签字日期：州b 年1 月。1 日 a 导师签名：孑d 签字日期：础，月。功日 第1 章绪论 1 1项目背景 1 1 1 集成电路的发展 第1 章绪论 目前，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表 的传统工业成为第一大产业，成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎 和雄厚基石。预计未来1 0 年内，世界集成电路销售额将以年平均1 5 的速度增 长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 8 0 0 0 亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主版 权的集成电路已日益成为经济发展命脉、社会进步基础、国际竞争的筹码和国家 安全的保障，可以说集成电路的发展已经成为一个国家在信息时代前进的标志。 美国德州仪器公司的基尔l p , 0 a c k s k i l b y ) 在1 r i 公司实验室里研制出世界第一 块集成电路时提出，整整影响了五十年的空前的科技大发展，并于2 0 0 0 年他被 授予诺贝尔物理奖，足以体现他的贡献之大，同时集成电路的发展在短短近五十 年就把世界推进了信息时代，足以证明集成电路的巨大能量。到今天，一个芯片 上可集成数十亿个晶体管，集成电路技术发生了惊人的变化：它经历了小规模 ( s s i ) 、中规模( m s i ) 、大规模( l s i ) 、超大规模( v l s i ) 阶段，目前已经 进入特大规模u l s 阶段。而集成电路的发展仍然会遵循摩尔定律：集成度和产 品性能每1 8 个月增加一倍。据专家预测，今后2 0 年左右，集成电路技术及其产品 仍将遵循这一规律发展。从集成度上看，从七十年代的i n t e l 4 0 0 4 微处理器的 1 0 0 0 左右的晶体管集成度发展到目前奔腾4 微处理器的超过五亿四千万的晶体 管集成度；从特征尺寸上看，从七十年代的7 5 微米减小到目前的0 1 3 微米， 而且9 0 纳米、6 0 纳米以及4 5 纳米都在研发与应用之中；从晶圆大小上看，从 两英寸的工艺增加到目前的十二英寸的工艺，并且会在2 0 1 0 年增加到1 8 英寸的 工艺；同时随着动态存储器( d r a h i ) 容量的增加，系统时钟频率不断的增加( 如 微处理器的时钟频率基本每两年增加一倍) ，芯片功耗不断增加的趋势将会被减 缓，集成电路的发展将会实现无法预计的强大功能。专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的提出和发展说明集成电路进入了一个 新阶段。通用的、标准的集成电路已不能完全适应电子系统的急剧变化和更新换 代，而a s i c 产品才能达到要求。这也是自8 0 年代中期以来，a s i c 得到广泛传 播和重视的根本原因。估计到2 0 1 0 年专用集成电路的设计规模会达到4 0 0 0 万个 晶体管。随着集成电路的深亚微米制造技术、设计技术的迅速发展，集成电路已 第1 章绪论 进入片上系统时代。所谓片上系统，又称为系统级芯片，就是系统级集成电路， 其英文缩写为s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 或者s l l ( s y s t e ml e v e li c ) 。系统级集成电路 是在a s i c 的集成上发展起来的电路，它可以在单一硅芯片上实现信号采集、转 换、存储、处理和i o 等功能。或者说在单一芯片上集成了数字电路、模拟电路、 信号采集和转换电路、存储器、m p u 、m c u 、d s p 、m p e g 等，实现了一个系 统的功能。然而，当器件的特征尺寸降到深亚微米级时，器件的物理特性和电学 特性将会发生很大的变化。互连线所引起的延迟在整个单元延迟中所占的比例越 来越大；深亚微米连线变细，连线间距变小，连线变长，这就增加了连线的分布 电容。由于信号频率很高，所以会引入串扰影响和噪声影响；由于互连线变细， 易于引起电迁徙和热载流子效应，因此在集成电路的设计策略上发生了较大的变 化，既要从原来面向电路单元的设计策略一先安排电路模块，然后考虑互连引 线，更改为面向电路互连引线的设计策略一先安排电路互连线网，然后再挂电 路模块，这样便可以从总体设计上保证芯片高速工作。 由于集成电路产品是所有技术的最终载体，而利用这些高科技技术开发 m p u ( 微处理器) 、m c u ( 微控制器) 、d s p ( 数字信号处理器) 等系列产品和d v d 、 h d t v 、数码相机、数码音响等专用集成电路系列产品将会成为集成电路开发研 究主要层面。 1 1 2 国内外现状 随着科技的进步，现行的彩色电视的图像质量已经不能完全满足消费者的需 要，因此电视技术的数字化已经成为必然趋势。据一些机构预测，未来几年内平 均每年中国高端电视市场销售量将达到1 4 3 5 9 万台，增长率高达1 0 1 5 ，销售 额为2 1 9 6 亿元，增长率为7 4 6 。这组数字意味着未来几年年将是中国高端电 视市场快速扩展的一年。专家们认为，未来几年中国高端电视机的整体市场销量 将以每年平均9 5 6 的速度稳步递增。 同时，各种各样的显示器在市场中出现，但由于其视频信号的输入格式与其 本身所要求的格式( 原始格式) 有很大差异。因此为解决以上格式上的差异，视频 格式转换芯片成为显示系统不可缺少的关键芯片。各种类型图象格式转换芯片的 需求量亦将呈现同比增长。 视频图像格式转换技术是当今信息领域的研究热点之一，以美国和台湾公司 为主相继推出多种芯片，象g e n e s i sm i c r o e l e c t r o n i e s ，g e n n u mc o r p o r a t i o n ， t r i d e n t ，t r u m p i o n ( t a i w e n ) ，e t r o nt e c h n o l o g y ( t a i w e n ) ，m a c r o n i xi n t e r n a t i o n a l ( t a i w e n ) ，p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r ，s u n p l u st e c h n o l o g y 等，但都在一定程度上存在 使用缺陷，国内在该方面目前尚处于起步阶段。 2 第l 章绪论 目前该领域的发展趋势主要表现在三个方面： ( 1 ) 提高集成水平，郎怎样把更多的功能电路集成到一个芯片上( s o c ) ， 以降低整个系统的成本。 ( 2 ) 寻求优化动态补偿实现隔行转逐行算法，在提高图象质量的基础上减 小芯片面积，降低成本。 ( 3 ) 视频数据输入界面正从模拟的v e s a 到全数字d v i 发展。 1 - 2项目研发的环境和条件 天津大学a s i c 设计中心是专业从事集成电路设计开发的科研单位，具有齐 全的软硬件设施，拥有先进的s l r n 工作站和p c 多台网络，有c a d e n c e ，s y n o p s y s 和m e n t o r 等e d a 主流设计软件和关键分析测试手段。本中心曾先后开发研制成 功多种类型的专用集成电路，拥有自主产权的多种类型i p 核。 本项目得到了天津市科委的大力支持，形成了一个以博士、硕士为主体的科 研团队。 项目课题负责人解晓东博士曾在美国大公司长期工作，积累了图像处理、视 音频编解码等多项关键技术，参与并主持了超过1 0 项以上图像处理、数字摄像 机、机顶盒s o c 芯片的研发，并已获得7 项美国专利 本项目依托单位天津大学在项目实施过程中给予大力支持和协调，确保校 内资源的合理利用，并与有关企业的协调，确保各项支持的落实，为项目顺利完 成提供了有利保证。 1 3本文的选题目的和意义 目前视频格式转换芯片全部被美国或台湾的芯片厂商所控制，而我国作为电 视、各类显示器生产大国，成功地研发具有自主知识产权的格式转换芯片将打破 国外公司在该领域的垄断，有力地支持我国电视及相关产业的发展，将产生巨大 的社会效益和经济利益，对推动我国的i c 产业和家电产业的健康、快速发展具 有特别重要的意义。 本项目拟研发的是一款新型多功能视频图像格式转换芯片，并开发出一种可 重构和再配置的s o c 平台以方便研发各类对成本和配置有不同要求的面向 p d p 、液晶、背投等新型显示器的格式转换芯片。此s o c 将成为具有独立自主 知识产权的大规模集成电路产品，其各项性能指标达到或超过世界先进水平，国 内领先。 该芯片将包括隔行转逐行、帧插入、行插入和点插入功能，并具有视频图像 3 第1 章绪论 处理，图像视频重迭( g r a p h i c so v e r l a y ) 和人机对话界面等功能。该芯片将是一款 集成了数字信号，图像处理，嵌入式m c u 以及大规模存储器于一体的s o c 。 本人所选课题为“视频格式转换芯片中o s d 系统的设计与实现”。该课题是 天津大学承担的天津市科委科技攻关项目“视频格式转换芯片”的一部分。课题 的目标是开发具有自主知识产权的o s d 视频图像叠加芯片。 视频图像叠加是多媒体技术应用领域之一，是电视技术与计算机技术结合的 产物，其应用的领域相当广泛，如监控系统，电视，g p s 全球定位系统视等，尤 其是在数字电视的应用，视频图像叠加技术是视频系统的关键技术之一，在原来 的电视图像信号中加上图像信号，在显示屏的特定位置实现图像与视频信号的叠 加。 目前，国外对这方面的研究十分重视，并且取得了许多成果。如f i j i t s u 公 司的m b 9 0 0 9 2 芯片和n e c 公司的up d 6 4 5 3 芯片等。然而，国内在这方面还刚 刚起步，有很大的发展空间。如何开发显示效果良好且便于a s i c 实现的o s d 视频叠加系统，如何研制具有自主知识产权的视频图像叠加芯片，是我们所面临 的挑战和机遇，也是该课题存在的意义和需要探索的方向。 4 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 第2 章视频格式转换芯片系统架构与o s d 显示系统 2 1前言 本项目拟研发的是一款新型多功能视频图像格式转换芯片，并开发出一种可 重构和再配置的s o c 平台以方便研发各类对成本和配置有不同要求的面向 p d p 、液晶、背投等新型显示器的转换芯片。同时还可以灵活支持r g b y u v ( 4 ： 2 ：0 ，4 ：2 ：2 ，4 ：4 ：4 ) 分量输入和分量串行输入，以及其它通用的视频界 面格式，如d i g i t a lv i s u a li n t e r f a c e ( d v it m d s ) 和v i d e oe l e c t r o n i c ss t a n d a r d s a s s o c i a t i o n ( v e s a ) 。( 如图2 。l 所示) 图2 - 1视频格式转换芯片实际应用 2 2视频格式转换芯片的系统架构 2 2 1 总体目标 项日的总体目标： ( 1 ) 研发个可重构和再配置的s o c 平台( 包含面向p d p 和视频编辑系 统的高端应用和面向r p t v 、l c d 等的中低端应用的s o c 平台) ，根据图像刷新 率、扫描方式和分辨率的不周，在最大程度上支持其相应的显示方式。经过参数 配置，该平台将自动产生相应的r e g i s t e r - t r a n s f e r - l e v e l ( r t l ) 级源代码、模拟仿 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 真环境、c 模型、逻辑综合的批文件以及晟终的物理层设计流程，从而提高效率， 缩短芯片的研发周期，实现大批量低成本的应用要求。 ( 2 ) 利用该平台研发一款能够适应大多数图象输入输出格式的芯片，以适 应p d p 、l c d 和r p t v 等不同类型的显示器。 ( 3 ) 该平台将应用并完善新型算法以实现对像素、行和帧等各级的最优滤 波、采样速率转变，以及基于帧内插值的边缘探测和动态自适应的隔行逐行转换。 ( 4 ) 该平台的研发成功将满足国内在该领域的大量需求，填补图像格式转 换s o c 芯片的国内空白，并建立具有自主知识产权的m 。 2 2 2 视频格式转换芯片的系统架构： 如图2 2 所示，粗虚线框内为格式转换芯片核，主要由以下几个部分组成： ( 1 ) a d 部分：用来将外部电视( p a l ，n t s c ) 模拟y u v 信号或计算机模 拟r g b 信号数字化； ( 2 ) 数字处理部分：对完成y u v 到r g b 转换和隔行转逐行算法的电视 r g b 信号和计算机r g b 信号进行尺寸缩放处理、伽马校正、对比度和色度调节 以及去抖动和0 s d 的叠加： ( 3 ) 1 2 c 接口部分：用来实现m c u 对内部各模块的控制。 图2 - 2视频格式转换芯片的系统内部结构 6 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 2 2 3 技术指标 项目研发的视频格式转换芯片将包括隔行转逐行、帧插入、行插入和点插入 功能，并具有视频图像处理，图像视频重迭( g r a p h i c so v e r l a y ) 和人机对话界面等 功能。该芯片将是一款集成了数字信号图像处理，嵌入式m c u 以及大规模存储 器于一体的s o c 。 系统的具体指标如下： l 、视频源： ( 1 ) 支持不同制式的电视视频信号输入( y 1 ) ：n t s c ( 6 4 0 4 8 0 ) ，p a l ( 7 6 8 5 7 6 ) ： ( 2 ) 支持v g a ，x g a 的计算机模拟r g b 信号。 2 、，处理部分 数字y u v 到r g b 转换。 3 、视频格式处理部分( 如图2 3 所示) i - 一。一一。一。： ：视频格式处理： 困卜圈 i 五i i 五蠢1 圭堕堡簦鲨l 图2 - 3 格式处理部分 ( 1 ) 隔行转逐行算法( 针对电视视频信号) ； ( 2 ) 水平和垂直方向上的比例缩放； ( 3 ) 不同帧频间的转换。 4 、其他处理( 如图2 2 所示) ( 1 ) r g b 亮度调节； ( 2 ) r g b 对比度调节； ( 3 ) 伽马校正； ( 4 ) 视频模式识别( 电视制式，计算机显示格式) ： ( 5 ) 水平和垂直同步的探测。 ( 6 ) 去抖动模块 5 、0 s d 部分 ( 1 ) 4 0 个r a m 格式的8 1 6 的英文字符； ( 2 ) 支持单窗口o s d 显示； 7 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 ( 3 ) 支持字符不透明效果； ( 4 ) 支持6 种o s d 面板前景和后景颜色的选择。 6 、m c u 部分 ( 1 ) 支持1 2 c 总线； ( 2 ) 对系统进行初始化； ( 3 ) 传输o s d 系统点阵字库及画面信息 ( 4 ) 实时控制； 7 、显示终端 ( 1 ) 支持单象素显示； ( 2 ) 内建显示时钟的控制； ( 3 ) 显示分辨率达x g a1 0 2 4 x 7 6 8 6 0 h z 。 2 3o $ d 显示系统 屏幕显示( o ns c r e e nd i s p l a y ) 即在显示屏幕上的指定区域以一定的透明度 显示指定的图像、符号或字符。o s d 技术在多媒体、监控系统、电视、g p s 全 球定位系统有着广泛的应用，最具有代表性的就是在数字电视的o s d 画面显示。 其中关键的就是进行视频图像叠加，即在原来的视频信号中混合图像信号，在显 示屏的特定位置实现图像与视频信号的叠加。 在视频格式转换芯片项目中，正确地设计o s d 系统，实现视频信号和o s d 画面信息的叠加，为用户提供良好的人机互动界面，同时也为整个系统的调试和 验证提供了便利。 视频格式转换芯片中的o s d 系统的总体结构如图2 3 所示： 图2 - 3o s d 总体结构 m c u 通过1 2 c 总线向d a t a p a s s 模块发送其系统所需要的数据， d a t a p a s s 单元把接收到的地址和数据信号经过处理后输出到地址和数据总线 8 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 上，o s d 单元根据地址信号来接收自身所需要的信息，中央控制单元提供场同 步信号和行同步信号，以满足o s d 实现图像与视频信号的叠加的需要，当系统 工作时o s d 系统根据行、场同步信号确定o s d 画面与视频叠加的时刻，及时地 向b l o c k - i n t e g e r 模块发送开始信号和o s d 图像数据信息，b l o c k - i n t e g e r 模块对 视频信号和o s d 画面信息做一定处理后输出到显示系统进行显示。 2 3 1 视频图像叠加原理 我们把整个视频显示划分为三个部分：背景层、视频信号层和o s d 层。通 常排列的顺序为背景层在最下层，视频信号层置于次下层，而o s d 层叠加在视 频层上。 在系统工作的时候，一般情况下输出经过格式处理后的视频信号，送显示系 统显示；当用户与系统有交互操作的时候，即o s d 按键动作的时候，系统根据 同场同步信号和行同步信号，在一定的时刻选通o s d 层的数据通路，通过o s d 层的数据与视频层的数据按照一定的算法进行叠加，从而实现o s d 画面在显示 屏幕上与视频图像的混合显示，视频叠加的示意图如图2 - 4 所示。 一般的视频图像叠加算法采用a l p h a 混合处理的算法，通过设置a 这个权值 系数的大小来实现不同的叠加效果，在视频格式转化芯片中，为了整个系统的调 试和验证的方便，设计时对视频叠加显示采取了不透明的效果。 0 s d 层信号 视频层信号 背景层信号 层选通信号 图2 4视频叠加结构示意图 同时对于o s d 层，又可以设计细化为三个子层，分别为背景层，字符层和 当前活动层，分别设置为三个数据通路，根据不同时刻选通不同层的数据通路。 2 3 2o s d 菜单结构 在硬件上，设计了4 个按键，分别为+ 、m e n u 、e x i t ，用于实现对菜 单的操作，它们分别于单片机的四个i o 端口相连。按下m e n u 键表示确认， 可以弹出o s d 菜单，按下e x i t 键表示取消菜单显示，使用+ 和一按键用来进行 9 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 上下移动当前活动颜色条来选择不同级的菜单，或者是来调节系统寄存器的值。 o s d 菜单的级数和每一级菜单下的显示内容是预先就定义好的，单片机在 初始化系统的时候就把所有的菜单画面信息通过1 2 c 总线发送给o s d 单元。在 本系统中定义了四级菜单，o s d 菜单组织层次图如图所示： 图2 - 5 o s d 菜单组织层次图( 1 ) 图2 _ 6o s d 菜单组织层次图( 2 ) 图2 - 7o s d 菜单组织层次图( 3 ) 在主菜单下包括6 个选项，分别对应6 个功能模式：p o s i t i o n ，c o l o r ， l a n g u a g e ，0 p t l 0 n ，r e s e t 和f a c t o r ym o d e 。 在p o s i t l 0 n 这个子菜单中又对应两个选项，分别为水平位置和垂直位置 子菜单； 在c o l o r 子菜单中又对应三个选项，分别为亮度、色度和色温子菜单，而 色温子菜单又有用户模式子菜单； 1 0 士 嬲 第2 章视频格式转换芯片系统架构和o s d 显示系统 在l a n g u g e 个子菜单中对应两个选项：中文和英文，无子菜单； 在o p t i o n 子菜单中对应三个选项：o s d 显示时间、o s d 水平位置和o s d 垂直位置予菜单； r e s e t 提供复位功能，无子菜单； f a c t o r y m o d e 菜单对应了寄存器地址和寄存器值两个子菜单。 2 3 3o s d 系统实现的功能和特点 o s d 系统通过菜单命令实现的功能有：菜单水平垂直位置的调整，亮度、 色度和对比度的调整，o s d 菜单显示时间的调整，复位、系统寄存器值的调整 等。具体实现的功能如下： ( 1 ) 与视频信号的叠加 ( 2 ) 支持单窗口o s d 显示； ( 3 ) 支持字符不透明效果； ( 4 ) 支持6 种o s d 面板前景和后景颜色的选择 ( 5 ) 通过o s d 功能按键对系统进行复位； ( 6 ) o s d 菜单显示时问的调节； ( 7 ) 调节系统显示亮度、色度和色温值； ( 8 ) 控制o s d 菜单在显示屏上的显示位置； ( 9 ) 通过o s d 功能按键调节系统寄存器值； 同时设计的o s d 系统提供良好的外部接口，能适用于不同的系统需要，具 有良好的兼容性。 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 3 1o s d 系统与m c u 的通信 o s d 系统的初始化以及实时菜单操作是通过1 2 c 总线的串行通信来实现的。 单片机负责在系统上电时开始对0 s d 系统进行初始化工作，把需要的字库点阵 和显示的画面信息发送给o s d 。在对菜单进行实时操作时，即当m c u 按键动作 时，把一定格式的控制信息发送给o s d ，并对一些寄存器进行刷新。 m c u 通过1 2 c 总线把整个系统所需要的数据和寄存器值发送给数据通路 ( d a t a p a s s ) 模块，数据通路把接收到的数据和地址输出到数据通路总线上， 供o s d 系统读取。 因此1 2 c 通信协议的实现就显得十分关键。 s c l d a t a 一 d a t a 单片机 s d 0 s ds y s t e m p a s s a d d r 图3 - 1 o s d 系统与m c u 的通信 3 21 2 c 总线串行通信 3 2 1 1 2 c 总线简介 在目前比较流行的几种串行总线中，1 2 c 总线以其严格的规范和众多带1 2 c 接口的外围器件而获得广泛的应用。1 2 c 总线是p h i l i p s 公司推出的芯片间串行 传输总线。它以根串行数据线( s d a ) 和根串行时钟线( s c l ) 实现全双工 的同步数据传输。随着1 2 c 总线研究的深入，它已经广泛应用于视频音频领域、 1 2 c 卡行业和一些家电产品中，在智能仪器、仪表和工作测控领域也越来越多地 的得到应用。 1 2 c 总线的广泛应用是同他卓越的性能和简便的操作方法分不开的。1 2 c 总 线的特点主要边县在以下几个方面： 1 2 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 1 、硬件结构上具有相同的硬件接口界面。1 2 c 总线系统中，任何一个1 2 c 总线接口的外围器件，无论其功能差别有多大，都是通过串行数据线( s d a ) 和 串行时钟线( s c l ) 连接到1 2 c 总线上，这一特点给用户在设计应用系统中带来 了很大的便利性。用户不必理解每个1 2 c 总线接口器件的功能如何，只要将器件 的s d a 和s c l 引脚连到1 2 c 总线上，然后对该期间模块进行独立的电路设计， 从而简化了系统设计的复杂性，提高了系统抗干扰的能力，符合e m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i i l 时) 设计原则。 2 、总线接口器件地址具有很大的独立性。在由单一m c u 作为主控器的系 统中，每个1 2 c 接口芯片具有唯一的器件地址，由于不能发出串行时钟信号而只 能作为从器件使用，各器件之间互不干扰，相互之间不能进行通信，各个器件可 以单独使用，在实际使用中，总线节点上的器件甚至可在总线工作状态下撤除或 挂上总线。m c u 和1 2 c 器件之间的通信是通过独一无二的器件地址来实现的。 3 、软件操作的一致性。由于任何器件通过1 2 c 总线与m c u 进行数据传送 的方式是基本一样的，这就决定了1 2 c 总线软件编写的一致性。 4 、p h i l i p s 公司在推出1 2 c 总线的同时，也为1 2 c 总线制定了严格的规范， 如：接口的电气特性、信号时序、信号传输的定义等。规范的严密往，结构的独 立性和硬、软件接口界面的一致性，极大的方便了1 2 c 总线设计的模块化和规范 化。 3 2 21 2 c 总线的基本原理 1 2 c 总线的时钟线s c l 和数据线s c l 都是双向传输线，都通过一个电流源 或上拉电阻连接到正的电源电压( 见图3 1 ) 。当总线空闲时s d a 和s c l 都必须 保持高电平，连接到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线 与的功能。1 2 c 总线上数据的传输速率在标准模式下可达1 0 0 k b i t s 。总连接线的 驱动能力受总线电容限制，不加驱动扩展时驱动能力为4 0 0 p f 。 1 、1 2 c 总线的信号及时序定义 1 2 c 总线上每传一位数据都有一个时钟脉冲相对应。其逻辑“o ”和“l ， 的信号电平取决于该节点的正端电源v d d 的电压。 ( 1 ) 总线上数据的有效性 1 2 c 总线数据传输时，在时钟高电平期间数据线上必须保持有稳定的逻辑电 平状态，高电平为数据l ，低电平为数据0 。只有在时钟线为低电平时，才允许 数据线上的电平状态变化。如图3 2 所示： 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 。岫，勰r砷rpsda d a t a y 一 s e 醛l - 奄l s c l ( s e 嘲lc l 譬kl 弛 烈菱嬲i s 擀j 臼。群“ 习 庇iz 掣划。铲弋谢_ 一。紫 ，device-1 d e v i c e 2 图3 - 1 2 c 器件连接到1 2 c 总线 ( 2 ) 总线数据传输的起始与停止 1 2 c 总线数据传送时有两种时序状态被分别定义为起始信号和终止信号，如 图3 3 所示： 起始信号：在时钟线保持高电平期间，数据线出现由高电平向低电平变化时 启动1 2 c 总线，为1 2 c 总线的起始信号。 终止信号：在时钟线保持高电平期间，数据线上出现由低到高的电平变化时 将停止1 2 c 总线的数据传输，为1 2 c 总线的终止信号。 s d a s c l s o a s c l 妇臼船ic h a j e s t a b l e ， lo f d a m d a mv a 醅ia l l o w e d 图3 - 21 2 c 总线上的数据传送 一乱l 二：二l 门一一姒 lli l s t a r to o n d c j o ns t o pc o n d n 图3 - 31 2 c 总线的起始信号和终止信号 起始信号和终止信号一般都是由主控制器产生的，总线在起始条件后被认为 1 4 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 处于忙的状态，在停止条件的某段时间后，总线被认为再次处于空闲状态。带有 1 2 c 总线接口的器件很容易检测到这些信号。 2 、总线信号时序要求 对标准的l 2 c 总线的数据传送，规定了严格的时序要求，以保证传送的可靠 性。 1 2 c 总线信号的时序定义如图3 _ 4 所示； 1 戊刊j r r t s v a s ut s v o s u 叫卜 j 八叭r 一t d a 0 图3 41 2 c 总线的时序 标准模式下的1 2 c 总线信号时序要求如下表3 - 1 ： 表3 - 1标准模式下的1 2 c 总线信号时序要求 参数说明符号最小最大单位 一次新的启动前总线所必须的空闲时间t b u f 4 7u s 起始信号的保持时间，此后产生一个时间脉冲 t s t a h 4 ou s 时钟的低电平时间 t d a l 4 7u s 时钟的高电平时间 t d a h 4 0 u s 起始信号建立时间( 仅用于重复起始信号) t s t a s t j 4 7u s 数据建立时间 t d s u 2 5 0 l l s 数据保持时间 t d h o 3 0 0u s 终止信号建立时间 t s t o s u 4 0u s 从表中可以看书，所有的时序参数只有最小时间要求，这表明在1 2 c 总线数 据传送中，可以利用时钟同步机制展宽低电平周期，迫使主器件处于等待状态， 降低传送速率。 3 、1 2 c 总线上的数据传送格式 1 2 c 总线上传送的每一个字节均为8 位，但每启动一个1 2 c 总线，其后的数 据传输字节数是没有限制的，每传送一个字节后都必须跟随一个应答位，并且首 先发送的数据位为最高位，如图3 5 所示： 丢臻渊 孚| 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 ：m 厂： 湖h d “e d 髀m 硪 叫椭s 鼬 畸醣m p 嘲i i h k m 埘w 口日i i m c k ii ii ：岭塔t c l ( 一j s 1 钾w r 自* 捌s t a r s 0 话i 细n 图3 - 51 2 c 总线的数据传输 1 2 c 总线数据传送时，每传送一个字节数据后都必须有应答信号，与应答信 号相对应的时钟由主器件产生，这时，发送器必须在这一时钟位上释放数据线， 使其处于高电平状态，以便于接受器在这一位上传送出应答信号。 应答信号在第九个时钟上出现，接受器输出低电平作为应答信号，输出高电 平则作为非应答信号。 由于某种原因，被控器件不产生应答时，必须释放总线，将数据线置高电平， 然后主器件可通过产生终止信号来终止总线数据传送。 当主器件接受数据时，接受到最后一个数据字节后，必须给被控器件发送一 个非应答位，使被控发送器释放数据线，以便主控器发终止信号，从而终止数据 传送。 d h k 嗽l 峨 b yt r a k s h l 丌e r d t ao u t p l 玎 8 yr e c e i v e r s e lf r ( 蛾 m a s t e r 图3 - 61 2 c 总线的响应 按照总线规定，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址 字节由高7 位地址和最低1 位方向位组成，方向位表明主控器对被控器数据传送 的方向，方向“0 ”表明主控器对被控器的写操作，作为“l ”时表明主控器对被 1 6 几u 厂“ 二二社詈 等 第3 章o s d 系统与m c u 的通信 控器的读操作，如图3 7 所示： f 。： ! 。； 叫二d 厄口厄：皿 仃 ； l ： l ； v ：7 、八风f 弋八八f 7 、风风属 i 二jil il ili l llli i i ! 一j s t a r ta d d r e s sr 厨a c k d a t a艘d a t aa c ks t o p 图3 7完整的数据传送 总线上的数据传输有许多读、写组合方式。下面以简化的图解方式介绍三类 数据传送方式。 ( 1 ) 主控器的写操作。主控器件向被寻址的被控器件发送r 1 个数据字节， 整个传输过程中数据传送方向不边。其数据传送格式如图3 - 8 ： 团f r o m m a s t e rt os l a v e 口f r o m s l a v et om a s t e r a = a c k n o w l e d g e s d al o w ) a 。n ma c k n o w l e d g e ( s d ah i g h ) s ；s t a r tc o n d i t i o n p 掌s t o p o d i l ； 图3 - 8主控器的写操作 ( 2 ) 主控器件的读操作。主控器件从被控器件中读出n 个字节的操作，整 个传输过程中除了寻址字节外，都是被控器件发送，主控器件接受的过程。数据 传送格式如图3 - 9 所示： ( r e a d )r l 奶懈+ a c k n o w l e d g e ) 图3 - 9主控器件的读操作 主控器件发送停止信号前发送非应答位，向被控器件表明操作结束。 ( 3 ) 主控制的读写操作。在一次数据传输过程中需要改变方向的操作，这 时，起始信号和寻址字节都会重复一次，但两次