基于M66601的液晶电视设计

摘 要：本文介绍了视频处理芯片M66601的特点，功能和结构，及利用其设计的液晶电视的软硬件系统。
关键词：分辨率变换；低电压差分信号；可隐藏字幕解码器

引言
目前，LCD电视的设计都采用了多芯片结构，这样的设计，信号路径复杂、干扰大、衰减大，影响了信号的显示质量。同时软件开发工作量大、升级开发困难，成本高。本文采用了瑞萨(Renesas)公司的M66601数字视频处理芯片，只需搭配一个MCU就可组成一个LCD电视所需的基本视频处理系统(不包含射频部分)。

M66601简介
M66601是一个功能强大的、高集成度的视频处理芯片。其功能可简单概括为A/D转换＋数字彩色解码＋scaler，同时它还具有多个针对液晶显示特点的图像增强功能。M66601的电压为1.8V，I/O电压为3.3V，采用176引脚和24mm×24mm的QFP封装形式。
A/D转换
该芯片内置了一个三通道的A/D转换器，用于模拟视频信号的数字化。每个通道都可独立地进行A/D转换钳位电压和参考电压的调整。
视频解码
这部分负责视频信号的数字彩色解码。使用了一个2D的梳状滤波器对视频信号进行YC分离，可以对信号的亮度、对比度、色彩饱和度、色调和锐度进行调节。对C信号的调节还包含了一个特殊的肌肤色调整功能，用于更好地重现色彩复杂的人体肌肤。
图像处理
这部分的功能是将解码部分输出的亮度色差信号转变为数字RGB信号，同时混入OSD信号，经过scaler、外形校正、色彩校正、g校正及帧率变换，输出TTL数字RGB信号。内置瞬时抖动(temporal dithering)功能，这一技术是通过使每屏图像的像素刷新多次，使用时间混合色度，以提高LCD的色彩表现，具体表现为可使6bit×3的数字RGB信号具有与8bit×3规格的信号相近的显示效果。
OSD与通信接口
芯片可存储512个8bit彩色字符，一屏多可显示64×30个字符，通过OSD接口还可显示外部OSD。通信接口包括了一个I2C接口、一个16bit的并口和一个4线的串口。

系统结构
整个系统由视频处理、控制、声音处理和电源4部分组成。硬件系统结构如图1所示。
视频处理
这部分主要包含射频模块、输入选择模块和视频处理模块。下面按模拟电视信号的处理流程逐一介绍各模块的作用。
高频电视信号首先进入射频模块，该模块包含了一个N/P全制式频率调谐高频头(成都旭光JS-5A)，一组声表面滤波器和一个解调芯片LA75503。电视信号经过高频头接收、混频、放大后输出38MHz中频信号，该中频信号经过预中放电路，分两路分别进入准分离声表面滤波器SAW0(图像)、SAW1(声音)。经过滤波后的声音和图像信号进入LA75503变为基带信号送入输入选择模块。输入选择模块包含了一组模拟和数字开关，用于选择M66601的视频和同步输入类型。被选择的视频信号进入M66601中，在这里复合视频信号首先被数字化，然后通过一个2D的梳状滤波器被分离为YC信号，得到的YC信号再进一步被变换为4:2:2格式的亮度色差信号。这组亮度色差信号分别经过多个信号调整模块之后，如降噪、锐度增强等，变换为4:4:4格式并进入色彩转换矩阵，转换为数字RGB信号。数字RGB信号在这里可以混入外部OSD信号，接着进入分辨率变换模块，进行水平和垂直方向上的缩放，然后进行外形校正，混入内部OSD信号。之后是针对LCD显示特点的色彩校正、g校正和瞬时抖动过程。芯片输出TTL型的数字RGB信号、一组行场同步信号、一个时钟信号和一个使能信号。这些信号就已经可以驱动一块TTL接口的LCD显示屏了，但由于另一种接口标准——LVDS在带宽、抗干扰性、能耗和PCB布线等多方面，较之TTL标准具有诸多优越性，使LVDS已经逐步取代TTL成为LCD屏的主流接口标准。所以本方案又添加了一个DS90C385芯片，用于将TTL信号变换为LVDS信号，以支持LVDS接口的LCD屏。
控制
控制芯片采用了三菱半导体的M37151，这是一款8位的MCU，具有CCD、彩色OSD输出、5个定时器、3个外部中断和16个内部中断、3组I2C接口及多个PWM和A/D接口，加上其类似C语言的结构化编程语言，使它可以很好地控制各处理芯片和电源。这部分还搭配了一个2Kbit的EEPROM，用于存储芯片初始化数据和用户信息。
声音处理
对于声音的处理，由于考虑到这一设计主要用于20英寸以下的、针对个人的LCD电视，所以选用了一个2×4W的小功放LA4302。经过测试，完全可以满足2~3人的听觉需求。
电源
由于各芯片需要多个不同的直流电源，所以这也是系统重要的一部分。而且为了减少干扰需要分别供电。在设计中是通过对外部输入的12V直流电进行逐级变压，以获得所需的不同电源的。主要采用了LM2576、780X和AS2830系列的电压处理芯片。

软件设计
系统软件主要包含了初始化过程和主循环。开机后首先进行初始化过程，这其中包含了MCU的初始化、M66601的初始化和程序全局变量的初始化。然后读出EEPROM中用户设定的工作模式信息，通过这些信息设置好系统的工作状态。由于EEPROM具有电可擦写的特性，可能由于某些外部原因，而使其中的数据遭到破坏，造成系统工作不正常，这时就需要重新恢复EEPROM中的默认数据。所以在这部分添加了一段EEPROM检测和初始化程序，通过检测几个设定好的标志字节来判断数据是否正常，若不正常，则对EEPROM进行初始化。
之后进入主循环程序，这是一个循环检测的过程。检测的对象包括信号类型、遥控命令等。首先是同步检测，通过对行同步信号的计数，判断信号的有无和类型，进而控制芯片刷新程序，改变系统的工作状态。接下来是主计时程序，由主时钟中断产生的计时单位——250ms， OSD显示持续时间、定时开关机时间等都由此产生。AFT子程序用于用户搜台和频道选择等，方法可简述为通过对频率调谐器输出的AFT电压的检测，来地确定频道的接收频率。遥控部分除包含一般通用的命令外，本方案还制作了CCD显示和VCHIP判别功能，用于显示CCD字幕和判断电视内容级别，可通过自定义的密码进入等级收看菜单进行设置，等级标准为美国电视家长指导系统(the U.S. TV Parental Guideline system)和美国电影协会分级系统(MPAA picture rate system)。循环的是根据输入信号和用户命令进行芯片寄存器和OSD的刷新，以及将工作状态记录在EEPROM中。如此往复，直到接收到关机命令。

实现结果
按以上方案制成的LCD电视具有良好的接收和显示效果，同时还具有输入接口多、功能丰富、成本低的特点。但另一方面，M66601支持的分辨率较低，只有XGA级，2D的梳状滤波器也难以适应大屏幕电视的要求，高整合度也带来了低灵活性。好在M666XX是系列芯片，针对大尺寸显示要求的高端型号芯片推出后，只需对软硬件系统进行较小的改动，就可设计出大尺寸的平板电视系统，如40英寸的PDP。■

参考文献


  

[1]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[2]. LVDS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LVDS_457917.html.
[3]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[4]. DS90C385 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS90C385_979905.html.
[5]. M37151 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/M37151_1992386.html.
[6]. LM2576 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM2576_1081686.html.
[7]. AS2830 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AS2830_968951.html.
[8]. M66601AFP datasheet
[9]. M37151 datasheet
[10]. 俞斯乐等.电视原理. 国防工业出版社，2000.4