CN100463023C - 一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统 - Google Patents

Abstract

一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，它连接在所述的数字多媒体主机输出外围接口电路和数字平面显示器之间，其特点是：该控制系统采用低功耗FPGA器件。FPGA器件包括可编程逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分，其中：可编程逻辑模块包括YUV-RBG信号转换电路、平面显示器时序控制电路，它们的输出信号经所述内部连线通过所述输出输入模块直接驱动外部的平面显示器。本发明是以FPGA(现场可编程)器件为核心技术设计开发出的基于小型(手持式)移动传媒的数字平面显示器控制系统硬件电路板，由于采用了低功耗FPGA器件以及可编程技术，电路板功耗非常小，形成的产品具有很大的灵活性，可以根据不同的应用需要，研制各种的控制芯片，制作出针对不同显示器的低成本低功耗控制系统电路板。

Description

一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统

技术领域

本发明涉及一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统。

背景技术

电子显示器是信息之窗，是信息社会中不可或缺的电子部件。

在多媒体的技术领域，数字视频运用的越来越广泛，YUV信号格式(PLA彩电的彩色分量格式)越来越多的被采用。YUV(亦称YCrCb)是被欧洲电视系统所采用的一种颜色编码方法(属于可编程逻辑阵列PAL)。YUV主要用于优化彩色视频信号的传输，使其向后兼容老式黑白电视。与RGB(红绿蓝模式)视频信号传输相比，它最大的优点在于只需占用极少的带宽(RGB要求三个独立的视频信号同时传输)。其中“Y”表示明亮度(Luminance或Luma)，也就是灰阶值；而“U”和“V”表示的则是色度(Chrominance或Chroma)，作用是描述影像色彩及饱和度，用于指定像素的颜色。“亮度”是通过RGB输入信号来创建的，方法是将RGB信号的特定部分叠加到一起。“色度”则定义了颜色的两个方面—色调与饱和度，分别用Cr和CB来表示。其中，Cr反映了GB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异。而CB反映的是RGB输入信号蓝色部分与RGB信号亮度值之同的差异。

目前电子显示器主要有LCD(液晶显示器)、PDP(等离子显示器)、OLED(有机发光二极管)等平板显示器。近年来随着人们对信息以及多媒体的需要，平板显示器的应用不断扩大，需求激增，从上述各类平板显示应用产品的增长率而言，以液晶显示器表现最为出色，领跑各类产品。在诸多信息家电中，诸如移动电话、数码相机、数字摄像机、电子数、PDA(个人数据助理)、游戏机等小尺寸平板显示器特别受到青睐，这些小尺寸TFT-LCD(薄膜晶体管—液晶显示器)因厚度薄、重量轻、画面质量优异、功耗低、寿命长、数字化和无辐射等优点，几乎涵盖了上述各类家电。

另外，随着汽车已经走入家庭，在家庭轿车里也越来越多的出现小尺寸平板显示器的踪影。因而与上述平板显示器配套的平面显示器控制器也将会得到大量使用，尤其是当今多媒体的普及化，多媒体输出的YUV视频信号，需要经过特殊的转换才能与目前普遍使用的RGB接口的平板显示器连接使用，再现多媒体丰富多彩的信息。

目前液晶显示器主要是分两个技术点，液晶屏和控制电路。由于液晶屏普遍采用RGB信号输入，因此通常需要把YUV视频信号转化成RGB信号，目前极少有现成数字YUV转换成数字RGB信号的专用芯片，一般采用将数字YUV转换成模拟的RGB，再将模拟RGB转成数字RGB，这样不仅增加了功耗，而且增加电路复杂的程度，牺牲了图像质量。在控制时序上一般采用国外厂商的芯片，但存在灵活性的问题，因为利用现有的一种针对性的控制器必须要对应应用与此配套的液晶显示屏。如果市场发生变化，要求发生了一些变化，控制电路部分就需要重新设计。而这些缺点可能导致产品不能如期完成，在占领市场上处于劣势。尤其在手持式显示控制器的应用领域，这种反复无谓的格式转换对整机性能和成本都处于不利的地位。

因此，随着手持设备，如手机、掌上电脑、游戏机等等，小型化、低功耗的要求越来越高，如何能快速的推出一款设计成熟，成本低廉的产品是现在目前能否快速占领市场的关键所在。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，并使形成的产品具有很大的灵活性，可以通过简单跳线适应不同显示器的控制系统的需求。

本发明所提供的一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，它连接在所述的数字多媒体主机输出外围接口电路和数字平面显示器之间，其特征在于：所述控制系统采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)器件。

在上述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统中，FPGA器件包括可编程逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分，其中：可编程逻辑模块包括YUV-RBG信号转换电路、平面显示器时序控制电路，它们的输出信号经所述内部连线通过所述输出输入模块直接驱动外部的平面显示器。

在上述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统中，还包括一切换电路，该切换电路连接在所述的YUV-RBG信号转换电路和平面显示器时序控制电路的输出端和所述输出输入模块的输入端之间。

在上述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统中，YUV-RBG信号转换电路以FPGA内嵌的DSP模块进行乘法运算并辅以简单的加法运算来完成YUV-RBG信号的转换。

在上述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统中，平面显示器时序控制电路采用逻辑编程方式产生及设定平面显示器必需的行场扫描时序信号。

在上述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统中，FPGA器件还连接一由四组电源形成的可直接用于驱动平面显示器的电源模块。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明是以FPGA(现场可编程)器件为核心技术设计开发出的基于小型(手持式)移动传媒的数字平面显示器控制系统硬件电路板，由于采用了低功耗FPGA器件以及可编程技术，电路板功耗非常小，形成的产品具有很大的灵活性，可以根据不同的应用需要，研制各种的控制芯片，制作出针对不同显示器的低成本低功耗控制系统电路板。

本发明解决了如下技术问题：

1)低失真、低功耗实现数字YUV转换成数字RGB信号。

2)兼容数字YUV和数字RGB信号，即自适应的选择数据格式。支持4：2：2，4：1：1YUV数字视频信号输入，数字YUV信号和数字RGB信号可选输出。

3)低成本、小型化、在整个设计以及以后的生产方面都能做到最优化。

4)灵活性，可快速的适应不同的型号和不同品牌的液晶显示器。

5)采用低成本FPGA设计，配合intel的嵌入式XSCALE的CPU自带的液晶接口。

6)设计出与液晶显示器配合的时序控制电路，并使可适应多款液晶显示器，并可在最短的时间里做稍微的改动以适应任意一款液晶显示器。

附图说明

通过以下对本发明手持式移动传媒数字平面显示器控制系统的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。

其中，附图为：

图1是本发明控制系统用于手持式移动传媒数字平面显示器中的功能框图；

图2是本发明控制系统的功能框图；

图3是本发明中平面显示器时序控制电路产生的参考时序的示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，它连接在所述的数字平面显示器2(即LCD)和数字多媒体主机输出外围接口电路3之间，该控制系统3采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)器件1。即本发明是以FPGA器件1为核心技术设计开发出的基于小型(手持式)移动传媒的数字平面显示器控制系统硬件电路板。

FPGA器件1还连接一由四组电源形成的可直接用于驱动平面显示器的电源模块4。

FPGA是在PAL(可编程逻辑阵列)、GAL(可编程逻辑阵列)、EPLD(可编程逻辑阵列)等可编程器件基础上发展起来的。它是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列(LCA，Logic Cell Array)，内部包括可编程逻辑模块(CLB，Configurable Logic Block)、输出输入模块(IOB，Input OutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。

参见图2，其中：可编程逻辑模块包括YUV-RBG信号转换电路11、平面显示器时序控制电路12，它们的输出信号经所述内部连线通过所述输出输入模块13直接驱动外部的平面显示器。

切换电路31连接在所述的YUV-RBG信号转换电路11和平面显示器时序控制电路12的输出端和所述输出输入模块12的输入端之间。

FPGA的基本特点主要有：

1)采用FPGA设计集成电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

2)FPGA可做其它全定制或半定制集成电路的中试样片。

3)FPGA内部有较多数目的触发器和输入/输出引脚。

4)FPGA功耗低，可以与CMOS(互补金属氧化物半导体)、TTL(晶体管-晶体管逻辑电路)电平兼容。

FPGA经常被大型数据和电信企业广泛用作网络接口设备。可编程架构非常适合协议管理和数据流格式处理，而FPGA提供的高速差分I/O如LVDS(低电压差分信号)，使FPGA可以非常快的速度向片上读入和向片外输出数据。因此用FPGA芯片是提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

本发明采用ALTERA公司最新推出的第二代低成本FPGA CYCLONE 2。它的容量范围为4,068～68,416个逻辑单元，内含150个嵌入式18×18乘法器，这些乘法器时脉可达250MHz，适合实现低成本DSP运用。其核心电压只有1.2V电压。另外，该组件也支持第二代Nios II嵌入式软核心处理器。其采用90纳米低K工艺制造，与上一代Cyclone相比，速度提升了70％，这样可完成大吞吐量的数据，为以后处理高清数据做准备，而成本则降低了50％，功耗减少10％。与一般集成电路相比，价格更具有优势。

本发明关键是通过编制软件对FPGA内部可编程逻辑单元CLB烧录控制，产生内部YUV-RBG转换信号、显示屏时序控制信号，然后经内部连线最终通过可编程输入输出单元，直接驱动外部的显示屏，并在外部通过跳线以应对不同型号显示屏。整个系统含FPGA程序设计、时序控制信号设计、电源控制硬件设计、以及相关信号的VHDL仿真设计。

根据YUV转RGB的转换公式

B＝1.164*(Y-16)+2.018*(U-128)

G＝1.164*(Y-16)-0.38*(U-128)-0.813*(V-128)

R＝1.164*(Y-16)+1.159*(V-128)

在整个算法中有乘法的需求，用一般的逻辑电路来实现有下面缺陷：

1)浪费资源。随着计算的位数增大，资源将成倍的增加。

2)计算的速度有限。

而本发明使用的FPGA已内嵌了DSP模块，可很方便实现乘法运算，加减则可通过一般的逻辑即可完成。

FPGA在一个嵌入式系统中不单单可以用于LCD的控制、格式的转换，还可以用于接受大吞吐量的数据，以及存储器的控制等。为了使本设计可以更多的溶入其他系统中去，FPGA的资源就应该有更多的富裕量，我们利用QuartusII6.0，Synplicity和ModelSim SE 5.8c软件对整个设计进行设计和仿真，使的整个设计达到最优化。最终的结果：占用整个FPGA小于10％的逻辑单元，RAM占用小于20％的面积。

本发明关键部分行场扫描时序的设计

通常行场扫描时序设计有两种方式：查找表方式和编程逻辑方式。

查找表方式主要由存储芯片构成，如SRAM、EPROM、PORM等。使用时，先根据所要产生的时序在存储单元写入相应的数值，查表时再从表内读出时应存储单元的数值，以形成扫描时序。扫描时序查找表分为行扫描时序查找表和场扫描时序查找表。场扫描时序查找表的输入时钟由行同步脉冲提供。

用查找表形成时序的方法存在体积大、计算烦琐的缺点。

随着大规模逻辑芯片的出现，利用编程逻辑方法产生行场扫描时序是一个发展方向。这种方法具有电路简单、功能强、修改方便、可靠性高等优点，并且可以借助外部的跳线来改变内部存储器的值，获取存储器的值来改变时序，这样就可以适应多种液晶显示器。

    图3为参考时序。

    例如：

    --PS信号生成电路

　　process(pclk，rst)

begin

          if rst＝′1′then

          count_cls<＝(others＝>′0′)；

          else

          if pclk′event and pclk＝′1′then

                     hs_reg_3<＝hs；

                      hs_reg_4<＝hs_reg_3；

              if hs_reg_4＝′0′and hs_reg_3＝′1′then

                      hs_sta_cls<＝′1′；

                 elsif hs sta_cls＝′1′then

        if count_cls<″需要改变的值″then

count_cls<＝count_cls+1；

                         cls_temp<＝′0′；

                     elsif count_cls<″需要改变的值″then

count_cls<＝count_cls+1；

                         cls_temp<＝′1′；

                      ps_temp<＝′0′；

                     elsif count_cls＝″需要改变的值″then---------------01

                         cls_temp<＝′0′；

                    ps_temp<＝′0′；

                     count_cls<＝count_cls+1；

                    elsif count_cls<″需要改变的值″then

                        count_cls<＝count_cls+1；

                        ps_temp<＝′0′；

                    elsif count_cls＝″需要改变的值″then

               count_cls<＝count_cls+1；

                    ps_temp<＝′1′；

                elsif count_cls>″需要改变的值″then

                    hs_sta_cls<＝′0′；

          end if；

                 else

                 count_cls<＝(others＝>′0′)；

          end if；

  end if；

end if；

end process；

其中“需要改变的值”可由软件设定或者通过FPGA引到FPGA外部通过跳线来设定高低。

本发明电源模块为四组电源，采用型号为MAX1779以及LT1937的芯片。MAX1779是种专门用于LCD的电源的专用芯片。其输入为3.3V，同时可输出负10伏、正15伏、正5伏三组电压，而且每路输出电压都可以通过调节电阻的阻值而到达不同的值，可根据不同的LCD选择不同的电压输出。同样LT1937也可以通过电阻的分配产生20～35伏的电压使用于所有的LCD背光。

本发明最终达到预计的功能和性能，以PXA270嵌入式平台(以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统)做为演示平台，在CF(压缩闪存)卡中存储了视频文件，其中有目前最流行的手机电视的节目流，通过本系统自行开发的解码软件(含H.264)分别输出RGB和YUV格式的视频图像，在LCD屏幕上可以看到清晰、流畅的图像，在整个播放过程，画面未出现破损，马赛克，以及停顿的现象。

本发明具有下列特点：

1.兼容YUV和RGB信号格式，支持4：2：2YUV信号输入。

2.以夏普240*320，3.5寸TFT液晶显示器为例，在FPGA上实现的时序控制和格式转换，整个时序偏差小于5个ns。

3.通过外部的一个跳线使的设计可以自由的在YUV和RGB两种格式之间切换。

对现有的设计形成了IP CORE的方式，及在未公布源代码的情况下，我们可以将设计应用到其他设计或者是其他的企业中，这样可对知识产权的保护起到很大的作用。

实现功能：

1)支持三星ARM9的2410和XSCALE的PXA250等主流嵌入式CPU的液晶接口。

2)支持YUV4：2：2；4：1：1数字视频输入格式和数字RGB5：6：5输入格式。

3)数字YUV和数字RGB信号选择输出。

4)视频输入速率达到66MHz。

5)电源供电：3.3V兼容CMOS系统。

综上所述，本发明技术是以FPGA(现场可编程)器件为核心技术设计开发出的基于小型(手持式)移动传媒的数字平面显示器控制系统硬件电路板，在一块电路板上集成了平面显示器时序控制电路、四组电源用于驱动显示屏，同时完成低成本、低功耗、低失真、高速率将数字多媒体输出的YUV信号转换成显示器能接受的数字RGB信号的转换及切换控制电路。上述转换、切换功能及时序信号均在一块FPGA可编程器件上完成，相关所需的编程源代码均自主研发并形成自主的IP核成果，可非常方便与其他数字电路整合成带小型显示器控制电路的设备，因而形成的产品具有很大的灵活性。还可以根据不同的应用需要，研制成功各种的控制芯片，制作针对不同用途的显示器控制系统电路板。

虽然本发明手持式移动传媒数字平面显示器控制系统已参照当前的具体实例进行了描述，但是本技术领域的普通技术人员应该认识到，以上的实例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化和修改。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实例的变化，变型都将落在本发明的权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，它连接在所述的数字多媒体主机输出外围接口电路和数字平面显示器之间，其特征在于：所述控制系统采用FPGA器件；所述FPGA器件直接实现YUV-RGB信号转换并产生行场扫描时序信号。

2.根据权利要求1所述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，其特征在于，所述FPGA器件包括可编程逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分，其中：可编程逻辑模块包括YUV-RBG信号转换电路、平面显示器时序控制电路，它们的输出信号经所述内部连线通过所述输出输入模块直接驱动外部的平面显示器。

3.根据权利要求2所述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，其特征在于，还包括一切换电路，该切换电路连接在所述的YUV-RBG信号转换电路和平面显示器时序控制电路的输出端和所述输出输入模块的输入端之间。

4.根据权利要求2或3所述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，其特征在于，所述YUV-RBG信号转换电路以FPGA内嵌的DSP模块进行乘法运算并辅以简单的加法运算来完成YUV-RBG信号的转换。

5.根据权利要求2或3所述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，其特征在于，所述平面显示器时序控制电路采用逻辑编程方式产生及设定平面显示器必需的行场扫描时序信号。

6.根据权利要求1所述的手持式移动传媒数字平面显示器控制系统，其特征在于，所述的FPGA器件还连接一由四组电源形成的可直接用于驱动平面显示器的电源模块。

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