隨著ADI Blackfin系列等低功耗定點處理器的性能和普及程度的提高，它們可以為越來越多的多媒體應用提供服務。這些應用中的許多應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專用LCD控制器芯片控制。但是今天，Blackfin處理器具有足夠的性能來處理信號處理和控制功能，并且還可以直接連接到LCD顯示器 - 大大降低了系統成本和復雜性。本文將討論ADSP-BF561 Blackfin處理器的并行外設接口（PPI）如何將LCD顯示功能集成到高性能介質處理領域，允許單個處理器用于系統處理和顯示驅動。

被動與主動

LCD陣列技術有兩大類 - 被動 - 矩陣和活動 - 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 - 列交叉點處定義。為了激活給定像素，定時電路激勵像素列，同時使其行接地。由此產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。

雖然很簡單，但無源矩陣技術確實存在一些缺點。例如，屏幕刷新時間相對較慢（對于快速移動的圖像，可能會導致重影）。此外，存在行 - 列交叉處的電壓場滲透到相鄰像素中的趨勢，部分地解開液晶并阻擋一些光穿過周圍的像素區域。其效果是模糊圖像中的邊緣并降低對比度。

使用類似IC的制造工藝的有源矩陣LCD技術是一項重大改進。每個像素都有一個電容，用于在刷新周期之間保持電荷，以及一個晶體管開關（引起流行的術語，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。控制給定像素的電流減小，因此像素可以更快的速率切換，導致TFT與無源顯示器相比更快的刷新率。更重要的是，調制施加到像素的電壓電平允許許多不連續的亮度級別。今天，通常有256級，相當于8位強度。

對于彩色顯示器，每個像素實際上有三個子像素 - 紅色，綠色和藍色（RGB）濾鏡 - 人眼看作是一個單色斑點。例如，320×240像素顯示器實際上具有960×240個子像素，占R，G和B分量。每個子像素具有8位強度，因此形成了普通24位彩色LCD顯示器的基礎。

由于LCD技術依賴于調節像素級的光通過，人們可能會想知道光會在哪里產生。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域被阻擋。

自TFT彩色顯示器有數百萬個晶體管可以過濾入射光，反射式顯示器在有源矩陣技術中不會有效。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光二極管（LED）陣列產生的光在通過LCD“三明治”的各個層傳輸時被調制。不幸的是，晶體管消耗的大表面積需要來自背光的更大的光輸出。此外，TFT顯示器的每個晶體管都會消耗功率，因此有源矩陣顯示器與其被動同類產品相比有點耗電。

TFT-LCD系統的組件

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

背光通常是冷陰極熒光燈（CCFL）。在CCFL中，激發的氣體分子發出強光，同時產生非常少的熱量。這種低功耗，耐用性，長壽命和簡單的驅動要求使其成為LCD面板應用的理想選擇。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，強度控制好的優點。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轉換為輸入視頻信號所需的大部分電路。適當的格式在LCD面板上顯示。它通常包括一個定時發生器，它控制面板上各個像素的同步和像素時鐘定時。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，抖動和圖像旋轉。更復雜的芯片可能非常昂貴，通常超過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LCD接口的端口，無需外部芯片。

LCD驅動芯片是產生適當電壓所必需的LCD面板的電平。它用作LCD控制器輸出和LCD面板之間的轉換器。行和列通常是分開驅動的，時序由定時發生器控制。由于直流電流會對晶體結構產生應力并最終導致劣化，因此必須以周期性極性反轉驅動液晶。因此，根據實現，施加到每個像素的電壓極性在每幀，每行或每像素的基礎上變化。

連接到TFT-LCD模塊

隨著趨向于更小，更便宜的多媒體設備，推動將驅動器，控制器和LCD面板結合起來。如今，集成的TFT-LCD模塊包括定時發生和驅動電路 - 因此只需要數據總線連接，時鐘/同步線和電源。然而，為了滿足較小PDA型LCD面板中的面板厚度和成本要求，定時發生器通常不能集成到LCD模塊中。在這種情況下，需要一個單獨的外部時序ASIC來產生定時信號，以驅動LCD面板的各個行和列。

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

因為ADSP-BF561提供了許多通用功能 - 具有脈沖寬度調制（PWM）功能的目標定時器，可配置為模塊提供適當的LCD時序，從而無需外部時序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評估板;它的許多便利提供了一種簡單的方法來開始使用各種Blackfin應用程序，包括這里討論的應用程序。

電源要求

TFT-LCD面板通常需要兩個獨立的電源。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為熒光。該電壓通常在TFT-LCD模塊內的單獨電路板上用dc-ac逆變器產生。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。

時鐘和同步

像素時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時鐘，而QVGA面板（320×240有源像素）可以以5MHz運行。

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

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

ADSP-BF561通過可配置的PWM輸出生成HSYNC和VSYNC信號，以實現最大的靈活性。這允許調整特定TFT面板指定的極性，脈沖寬度和周期。

通常，LCD時序要求指定水平斷言之間的無效數據周期同步信號和實際顯示的圖像數據。 ADSP-BF561的PPI可以通過在接收到HSYNC信號后允許輸出數據延遲指定的時鐘周期來處理此時序。

數據線

雖然模塊的數據接口很簡單，但在選擇合適的RGB數據格式時需要考慮很多事項。三種最常見的配置使用每通道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數據格式提供最大的色彩清晰度。總共24位分辨率，可提供超過1600萬種色調。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品中很受歡迎。 18位分辨率提供超過262,000種色調。但是，由于18引腳（6 + 6 + 6）數據總線不能很好地符合16位處理器數據路徑，因此一個受歡迎的行業折衷方案是使用R和B各5位，以及6位G（ 5 + 6 + 5 = 16）匹配16位數據總線。這種情況很有效，因為在三者中，綠色是最具視覺重要性的顏色。紅色和藍色的最低有效位與面板上各自最高有效位相關聯。這確保了每個顏色通道的完整動態范圍（從完全飽和到全黑）。

系統算法流程

要了解在媒體處理器上模擬LCD控制器所涉及的內容（為了更換外部設備），讓我們看一下顯示傳入原始設備所涉及的系統流程集成TFT-LCD模塊上的視頻流。考慮圖2的示例，其中NTSC攝像機的數字化輸出提供應用于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步驟。

去隔行掃描

在隔行掃描視頻中，NTSC攝像機在示例中使用，奇數和偶數場被分開，以便給定幀中的所有奇數行在任何偶數行之前被傳送。對于此示例，來自攝像機的視頻流在進入視頻端口后必須進行解交錯。這可以通過多種方式之一完成，具體取決于所需的輸出質量。最簡單的方法是線加倍，它將每條奇數線復制到后續偶數線上，有效地消除了偶數場，有利于奇數場的移位版本。因為這會產生明顯的偽像，所以經常使用更多處理密集型方法。這些包括線性插值，運動補償和中值濾波。后一種方法將每個像素的強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。

掃描速率轉換

視頻已被去交錯，可能需要掃描速率轉換過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，可能需要刪除或復制字段。與去隔行一樣，需要某種濾波來消除由于創建突然幀轉換而導致的高頻偽像。

色度重采樣和顏色轉換（YCrCb - > RGB）

有些相機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像素的紅色，藍色和綠色值，或者每個像素的一個Y，Cr和Cb值。 Y，Cr和Cb在數學上與RGB值相關，但是與RGB數據相互關聯性較小，它們允許更好的壓縮比。然而，更常見的是，相機輸出利用眼睛生理學的濃縮流，為綠色（在RGB情況下）或YCrCb空間中的強度（Y）提供更大的權重。在圖2的示例中，視頻流以4：2：2 YCrCb格式進入PPI。 “4：2：2”意味著給定視頻線上的每兩個色度（Cr和Cb）值存在四個亮度（Y）強度值。每個（Y，Cb）或（Y，Cr）16位對表示一個像素值。

為了在LCD面板上顯示，最終需要將數據流轉換為RGB空間。更準確地說，它需要轉換為R'G'B'空間，這是RGB空間的 gamma 校正版本。伽瑪校正調整LCD面板的非線性屬性，因為給定像素的亮度不是在該像素位置施加的電壓的線性函數。不同的伽馬值會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'坐標之間進行轉換的示例方程組。

在R'G'B'轉換之前，必須重新采樣Cb和Cr通道實現4：4：4格式，其中Y，Cb和Cr各一個字節代表一個像素值，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簡單的平均。某些應用程序可能需要更高階的過濾，但這種簡化的方法通常就足夠了。實際上，色度重采樣和色彩空間轉換的步驟都可以作為單個操作執行，因為每個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，因為它允許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（輸入數據分辨率，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算負荷。作為一種更簡單，更便宜的選項，可以裁剪處理后的圖像以適應較小LCD面板的范圍。

根據應用的不同，可以向上或向下進行縮放。重要的是理解要縮放的圖像內容的性質（例如，文本和細線的存在）。不正確的縮放可能會使文本無法讀取或導致某些水平線在縮放圖像中消失。

最直接的縮放方法包括丟棄像素或復制現有像素。也就是說，當縮小到較低分辨率時，可以丟棄每行上的多個像素（和/或每幀的一些行數）。雖然這表示處理負荷較低，但結果會產生混疊和視覺偽影。

復雜性向上一小步使用線性插值來提高圖像質量。例如，當縮小圖像時，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程中使用的像素。與之前的技術一樣，信息仍然被丟棄，因此將再次出現偽像和鋸齒。

如果圖像質量至關重要，還有其他方法可以執行縮放 - 而不會降低質量。這些方法努力保持圖像的高頻內容與水平和垂直縮放一致，同時減少混疊的影響。例如，假設圖像將按因子 Y × X 進行縮放。為了實現這種縮放，可以通過因子 Y 對圖像進行上采樣（插值），濾波以消除混疊，然后通過因子 X進行下采樣（抽取）。實際上，這兩個采樣過程可以在一個多速率濾波器中組合。

位提取/字節封裝

如前所述，最好在每個輸出LCD上傳輸16位時鐘周期。這個5-6-5位打包可以用源數據完成。 Blackfin架構提供了兩種有效方法來創建所需的字節流。第一種是簡單地將每種顏色（紅色，藍色和綠色）中的適當位移到目標寄存器中。第二種方法是利用EXTRACT / DEPOSIT指令對從特定的位位置開始拉出一些位，然后將結果存入目標寄存器。

應用說明EE-256提供了系統的詳細說明，其中安裝在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite評估板上的處理器從DVD播放器接收流式視頻輸入并連接到TFT-LCD模塊。 Blackfin生成所有必要的時序并執行抽取，顏色轉換，重采樣和輸出格式化。詳細描述了系統數據流和緩沖區管理，并提供了具有特定LCD模塊的工作應用程序的示例代碼供下載。

結論

由于其性能和受歡迎程度， Blackfin處理器系列的成員正在服務于越來越多的多媒體應用。它們在需要小型，低功耗，中等分辨率液晶顯示器（LCD）面板的顯示器系統設計中特別有用。對于這些應用中的許多應用，Blackfin處理器具有足夠的性能來處理信號處理和控制功能，并且還可以直接連接到LCD顯示器 - 大大降低了系統成本和復雜性。本文介紹了如何通過采用ADSP-BF561 Blackfin處理器的備用計算能力及其并行外設接口的一部分來實現顯示驅動，從而實現這樣的系統。