低功耗视频解码芯片-TVP5150

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引言

       随着便携式多媒体终端需求量迅速增加，在视频解码等方面对芯片低功耗的要求也越来越高。

       因此，只有将模拟视频信号转换成为符合ITU-R BT.656标准的数字信号，才可方便地利用FPGA或者DSP甚至PC机来进行信号处理。本模块就是利用TI公司的超低功耗TVP5150芯片对视频信号A／D解码，由单片机通过I2C总线控制，预留地址数据等接口，作为模块验证以及后续数字信号处理之用。

       1模块硬件构成

       1.1系统基本构成

       系统总体构成框图如图1所示。

       TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能视频解码器，在正常工作时，它的功耗仅115 mW，并且具有超小封装(32脚的TQFP)，因此非常适用于便携、批量大、高质量和高性能的视频产品。它可以接收2路复合视频信号(CVBS)或1路S-Video信号。通过单片机I2C总线设置内部寄存器，可以输出8位4：2：2的ITU-R BT.656信号(同步信号内嵌)，以及8位4：2：2的ITU-R BT.601信号(同步信号分离，单独引脚输出)。

       单片机选用TI公司的MSP430F2013，超低功耗，有2 kB+256 B Flash存储器和128 B RAM，14脚超小封装(TSSOP)。其功耗是一般单片机的1／5，特别适合于手持设备，在1.8 V～3.6 V电压、1 MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1 μA～400 μA之间(因工作模式不同而不同)。单片机通过MAX3232与串口连接，由PC机通过串口对单片机在线编程，方便对单片机程序及时修改。由PC设置并且随时调整TVP5150的内部寄存器，控制其工作状态，输出信号等。单片机预留控制口，以增加本模块的可扩展性。

       74HC16245总线控制器用来提高本模块输出信号的负载驱动能力，它是可选部分，视需要可将信号直通以降低模块功耗。如果有多个模块组合工作，由单片机对74HC16245使能控制，协调各模块信号输出。

       验证模块主要由SAA7121视频编码芯片构成，可将8位4：2：2的ITU-R BT.656或者ITU-R BT.601输入信号编码成CVBS信号或S-Video信号输出。如果TVP5150解码模块工作正常，利用此验证模块可以得到模拟视频信号，接人显示设备可得到输入图像。

       1.2系统硬件设计

       TVP5150芯片应用原理图如图2所示。芯片采用14.318 18 MHz晶振，数字和模拟输入电压为1.8 V，IO口电压为3.3 V；信号输入有CH1和CH2两路，并且都进行阻抗匹配设计，防止对输入信号的反射；YOUT[0：7]输出8路YCbCr信号，消隐信号可选择单独引脚HSYNC和VSYNC输出，或者内嵌于这8路信号中。PCLK／SCLK脚时钟信号可输出13.5 MHz和27 MHz两种频率。

 

       2模块程序构成

       本模块主要由PC机与单片机串口通信程序和单片机与TVP5150的I2C控制程序两部分软件组成。

       2.1 PC机与单片机串口通信程序

       PC机与单片机通信协议见表1。

       注：带引号部分为传输数据头，供单片机识别处理；Addr为地址；Data为数据。

       本程序在dephi7.0开发环境下完成设计，配置文件为txt格式，能读取和保存配置文件，在配置表格中能对配置文件进行简单处理，能选取配置文件中的寄存器信息通过串口发送给单片机，并且能读取单片机发送来的寄存器信息。

       程序分为前台的界面处理与后台数据和功能处理两层。前台只负责界面的设置与动作，对表格中一切数据的处理都在后台。通过SPcomm串口通信控件进行串口通信操作。定义Sendlist和Revlist两个类，将所有允许发送项存入Sendlist，然后通过串口发送，而接收到的单片机发送来的数据存入Revlist。然后，将Sendlist和Revlist两者进行对比。如果相同，则存储，并在表格中显示；否则，报错处理。每发送一个寄存器项有一定的延时用于单片机处理。软件有超时设置，如果发送5 s后无法接收到单片机回复数据，则判断为超时出错。

       本程序流程如图3所示。

       2.2 单片机程序

       单片机程序完成串口通信和I2C总线控制两个功能。

       图4为I2C时序图。I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。I2C总线在传送数据过程中有以下3种类型信号：

       a)开始信号(Start)。SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
       b)结束信号(Stop)。SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
       c)应答信号(AcK)。接收数据的IC在接收到8 bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。

       I2C总线在传送数据时，必须保证在SCL高电平时SDA上数据稳定，否则就判断为开始或结束信号。

        单片机内程序按照通信协议与PC机进行数据传输，然后识别数据头，按协议分别处理，经由I2C总线，对TVP5150内部寄存器进行读写操作。单片机通信收发主程序由C语言编写，通过串口中断接收PC机数据，判断接收的是数据头还是有效数据。当接收数据头R时，回发PC机r，然后将后面的1个字节地址，由I2C总线操作读出TVP5150该地址寄存器中的数据，并通过串口回发给PC机。如果帧头是W，回发PC机w，并且缓存它后面2个字节的数据，第1个字节为TVP5150寄存器地址，第2个为写入该寄存器的数据。通过I2C总线完成此写操作，并读出写入数据后寄存器中数据，通过串口回发给PC机，以备PC机端软件校验。

        3主要视频信号

        3.1输出信号

        模块将模拟视频信号解码成符合ITU-R BT.656标准的数字视频信号，输出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的数字信号。同步信号内嵌于数据流中串行输出，也可以单独引脚与数据流并行输出。 图5所示为完整一帧数据，分奇偶两场，23～311行是偶数场数据，366～624行是奇数场数据，其余为场控制信号或者无效数据。FID为奇偶场指示信号，在场同步信号(VSYNC)下降沿跳变。VBLK为场消隐信号，高电平有效，可以通过设置TVP5150寄存器来改变其长短，控制有效图像数据输出，因为在VBLK信号低电平期间对应输出视频有效数据。

        每一行的数据结构如图6所示。每行开始的288字节为行控制信号，开始的4字节为EAV(有效视频结束)信号，紧接着280个固定填充数据，最后4个字节是SAV(有效视频起始)信号。SAV信号和EAV信号有3字节的前导：FF、FF、00；最后1字节XY表示该行位于整个数据帧的位置以及如何区分SAV、EAV信号。

       XY各位的含义如图7所示。图中最高位是固定数据1，F=0表示偶数场，F=1表示奇数场；V=0表示该行为有效视频数据，V=1表示该行没有有效视频数据；H=0表示为SAV信号，H=1表示为EAV信号；P3～P0为保护信号，由F、V、H信号计算生成。

       3.2 AVID截取

       AVID信号是TVP5150产生的专有信号，是有效视频数据指示信号，AVID低电平时输出数据无效，高电平有效。这样就提供了一种控制TVP5150输出视频数据带宽的方法。通过寄存器设置，控制AVID的开始和结束时机，同时对VBLK信号起始时机进行控制，那么就能从一帧图像中截取某些部分输出，如图8所示。

        4结束语

        本模块的调试结合了SAA7121视频编码模块。由视频信号发生器输出模拟视频信号经过本模块解码，转换为数字视频信号，再由SAA7121模块转换成模拟视频信号接入显示设备，如果模块运行正常，就可以看到显示设备上对应的输入画面。第1步将RGB各单色视频信号输入，通过示波器观察输出视频及各同步信号，时序正常后，经SAAT121模块接入显示设备。得到正确图像后，模块由DVD机输入CVBS信号，显示设备得到正常影像则调试基本完成。调试的主要工作在于TVP5150的内部寄存器正确设置及其改变对输出各信号的影响。如果开启74HC16245，那么本实验模块总功耗在200 mW左右；关闭则功耗可控制在130 mW左右。可见，本视频解码模块的功耗参数非常低，如果优化单片机程序，还可进一步降低功耗。本模块将模拟复合视频信号解码成符合ITU-RBT.656标准的数字视频信号输出。方便利用FPGA、DSP等进行数字视频信号输出，方便利用FPGA、DSP等进行数字视频图像去隔行，方便利用FPGA等进行数字视频力图像去隔行，分辨率转换甚至MPEG编码等处理。