深入解析ICS2008B：SMPTE時間碼接收器/發生器芯片

在多媒體設備的設計中，時間碼的精確處理至關重要。Renesas的ICS2008B作為一款SMPTE時間碼接收器/發生器芯片，為多媒體音視頻事件的時間協調提供了強大支持。下面將詳細介紹這款芯片的特點、功能及應用。

文件下載：ICS2008BY-10LFT.pdf

芯片概述

ICS2008B是采用低功耗CMOS工藝設計的VLSI設備，旨在為多媒體視聽事件提供時間協調。它不僅適用于PC多媒體環境，還能輕松集成到需要SMPTE時間碼生成和/或接收的產品中，支持LTC（縱向時間碼）、VITC（垂直間隔時間碼）格式以及MTC（MIDI時間碼）轉換。該芯片可從復合視頻、S - Video或音頻軌道讀取VITC和LTC格式的SMPTE時間碼，輸出格式為LTC和VITC，且所有輸出可同時進行。此外，還提供UART用于支持MTC或磁帶傳輸控制，其處理器接口與IBM PC和ISA總線兼容計算機兼容，也易于與其他處理器和微控制器連接。

芯片特性

1. 符合標準：滿足SMPTE VITC規范、SMPTE和EBU LTC規范。
2. 時間碼燒錄窗口：位置、大小和字符屬性可編程。
3. LTC邊緣速率控制：符合EBU (T{r}) 和 (T{f}) 規范。
4. 同步源：支持內部和外部同步源，可與視頻或房屋同步輸入進行鎖相，在VCR暫停和穿梭模式下改善視頻定時鎖定，還可從振蕩器輸入內部生成定時，支持外部點擊輸入和內部定時器。
5. 時間碼發生器：支持實時SMPTE速率（30 Hz、29.97 Hz、25 Hz、24 Hz），具備降幀和彩色幀模式，VITC可插入10 - 40行中的兩行（SMPTE規定為10 - 20行），支持Jam Sync、自由運行、錯誤旁路/校正和加一幀功能。
6. 接收器：LTC接收器可在 (1 / 30^{th}) 標稱到80X標稱播放速度下同步比特率；VITC接收器可從任何或所有選定的掃描線讀取代碼，具備搜索模式，可搜索VBI線直到找到VITC。
7. UART：新的UART頻率為38.4 K，用于磁帶傳輸控制。

功能模塊詳解

硬件環境

ICS2008B作為處理器（如PC或單芯片微處理器）的外設運行，通過雙緩沖處理傳入和傳出的時間碼，滿足實時要求。

LTC輸入與輸出

• 輸入：LTCIN是差分模擬輸入，通過電容耦合到LTC源，經比較器處理后進入LTC接收器，可接收正向或反向的LTC，速率范圍為 (1 / 30^{th}) 到80X標稱幀率。接收到有效LTC SYNC模式后，將數據采樣并加載到接收緩沖區，接收完整幀后產生中斷。
• 輸出：LTC輸出可以是模擬或數字形式。設置為模擬輸出時，可驅動高阻抗負載。LTC發生器以選定的幀率（如24 Hz、25 Hz、29.97 Hz或30 Hz）輸出LTC幀，并根據選定的LTC SYNC源生成的起始時間開始幀。輸出邊緣速率可針對SMPTE代碼（25 μsec）和EBU代碼（50 μsec）的上升和下降時間進行編程。

視頻輸入與輸出

• 輸入：有兩組視頻輸入，在復合NTSC或PAL系統中，僅使用Y輸入；在S - Video系統中，Y和C分別電容耦合到各自的源。通過SMPTE控制寄存器中的VIDSEL位選擇一個視頻源作為視頻SYNC源，內部定時器與輸入視頻同步，提取用于接收和生成VITC的定時信息。VITC接收器對輸入視頻進行采樣，在選定的掃描線上尋找有效的VITC代碼，接收到有效代碼后寫入VITC接收緩沖區。
• 輸出：視頻輸出將選定的視頻輸入與VITC發生器和字符發生器的輸出相結合，可根據SMPTE控制寄存器中的SVID位選擇復合或S - Video輸出。VITC代碼從VITC發生器緩沖區中的數據生成，并在選定的行時間輸出，CRC和同步位由VITC發生器自動生成。字符發生器用于在燒錄窗口中插入時間碼，覆蓋輸入視頻，燒錄窗口的垂直和水平位置可編程。

SMPTE SYNC源

時間碼發生器需要穩定的SYNC輸入，以將LTC代碼正確定位在視頻磁帶或膠片的音軌上。有視頻、點擊輸入和自由運行三種SYNC源可供選擇。對于視頻磁帶，LTC代碼必須在第5行開始的正負一行內開始，這需要與輸入視頻進行“Genlocking”。視頻定時部分鎖定視頻的水平和垂直SYNC信號，并生成SMPTE SYNC。如果有外部SYNC源，可通過CLICK輸入；否則，從振蕩器以選定的幀率生成自由運行的SMPTE SYNC。

視頻定時發生器

視頻定時發生器與視頻輸入的SYNC分離器進行“Genlocked”，從視頻輸入中提取NTSC或PAL定時信息，為VITC接收器、VITC發生器、LTC發生器和字符發生器生成行和像素速率定時。如果沒有視頻輸入，則生成自由運行的定時。

覆蓋字符發生器

為了在視頻顯示上與畫面一起顯示時間碼，芯片提供了字符發生器。時間碼顯示（燒錄窗口）可以在屏幕上的任何位置顯示，有兩種尺寸可供選擇，字符顏色可以是白色或黑色，背景可以是黑色、白色或實時視頻。

UART

提供通用UART用于MIDI、視頻傳輸控制等。大多數串行接口傳輸控制使用9600和38.4K BAUD，需要CTS和RTS調制解調器控制；MIDI端口使用31.25K BAUD，但不需要調制解調器控制。接收器包含一個四字節FIFO，以減少實時中斷服務要求，特別是在MIDI應用中，由于數據速率高且許多MIDI消息為三字節長，這一點尤為重要。發射器采用雙緩沖，可在接收器數據可用和/或發射緩沖區為空時產生中斷。

中斷定時器

中斷定時器是一個通用的10位定時器，有三個時鐘源（100 kHz、LTC接收時鐘和LTC發射時鐘）。其主要目的是便于定時生成MIDI時間碼消息。

處理器接口

ICS2008B支持標準微處理器接口和總線，如PC總線，允許訪問六個控制/狀態和數據寄存器。這些寄存器分為兩組，一組四個用于SMPTE控制，另一組兩個用于直接UART端口控制，每組寄存器通過各自的芯片選擇信號SMPTECS和UARTCS進行選擇。

寄存器詳解

SMPTE寄存器

• SMPTE0：包含SMPTE中斷控制和狀態以及VITC讀取狀態。四個中斷位（LRI、LXI、VLI和TMI）反映潛在中斷源的狀態，當相應的使能位（LRIEN、LXIEN或VLIEN）也被設置時，INTR輸出將被激活。通過讀取SMPTE0清除中斷。
• SMPTE1：只讀寄存器，包含視頻和LTC狀態，如FRAMEIN、CLICK、LTCLOCK、CODEDIR、VLOCK、FRAME和FIELD等狀態位。
• SMPTE2：指向57個間接寄存器的地址寄存器，若AUTOINC位設置為1，訪問SMPTE3后地址將自動遞增。
• SMPTE3：數據寄存器，通過它訪問所有間接寄存器，訪問前需先在SMPTE2中設置寄存器地址。

間接寄存器

• LTC Read Registers IR0 - IR7：只讀寄存器，包含接收到的LTC數據。
• LTC Write Registers IR8 - IRF：包含LTC發射器要發送的數據。
• VITC Read 1 Registers IR10 - IR17：只讀寄存器，包含從IR30中選定的視頻行接收到的VITC數據。
• VITC Read 2 Registers IR18 - IR1F：與VITC Read 1寄存器類似，包含從IR31中選定的視頻行接收到的VITC數據。
• VITC Write Registers IR20 - IR27：包含VITC發生器要輸出的數據。
• BI Window Registers IR28 & 29：控制SMPTE視頻顯示燒錄窗口在視頻光柵中的位置。
• BI Character Registers IR2A - IR2D：包含用于燒錄窗口中SMPTE時間碼的字符代碼。
• ITC Write Line Select Registers IR2E & IR2F：允許選擇VITC代碼輸出的視頻行并啟用輸出。
• VITC Read Line Select Registers IR30 - IR31：允許控制冗余VITC讀取行，支持自動行掃描。
• Video Control Register IR32：控制視頻的各種參數，如Genlock使能、視頻定時復位、視頻SYNC源選擇、VITC源選擇、視頻輸出選擇、S - Video選擇和PAL/NTSC選擇。
• Video Interrupt Line Register IR33：選擇視頻行中斷發生的視頻行。
• LTC Control Registers IR34 – IR37：控制LTC的各種參數，如邊緣速率、幀起始、時鐘源、傳輸使能、SYNC源選擇和輸出模式等。
• Timer Control Registers IR3C & IR3D：控制中斷定時器，IR3C為只寫寄存器，IR3D為讀寫寄存器。
• Burn - in Window Attributes IR3E：控制燒錄窗口的字符屬性，如閃爍、顏色、大小和頭部開關濾波。
• LTC Soft Sync IR3F：寫入該地址并將LTC SYNC選擇設置為Soft SYNC時，為LTC發射器生成LTC SYNC。

UART寄存器

UART模擬6850，包含命令/狀態寄存器和數據寄存器。命令/狀態寄存器控制波特率、傳輸控制和接收中斷使能等；數據寄存器分為發送緩沖區和接收緩沖區。

電氣特性

絕對最大額定值

• 工作溫度范圍：0°C至 + 70°C
• 存儲溫度范圍：– 65°C至 + 150°C
• 任何引腳到GND的電壓：– 0.5 V至VDD + 0.5 V
• VDD到GND的電壓：– 0.5 V至 + 7.0 V
• 功耗：1.0瓦

DC電氣特性

在TA = 0°C至 + 70°C，(V_{DD}=5 ~V pm 10 %) ，GND = 0V的條件下，規定了數字輸入、數字輸出、模擬輸入和模擬輸出的各項參數。

AC電氣特性

規定了地址設置、地址保持、讀取脈沖寬度、訪問時間等時序參數，以及UART端口的波特率。

應用與編程

應用

• 晶體振蕩器：可使用串聯或并聯諧振晶體，若對頻率精度要求較高，建議使用并聯諧振晶體。
• 閾值旁路引腳：提供對內部參考電平（CTHRESH、STHRESH和DTHRESH）的訪問，一般情況下這些引腳保持開路，若用戶需要設置其他電平，可通過這些引腳進行驅動。
• 自偏置輸入：CLICK和FRAME輸入偏置為1/3 VDD，連接到兩個比較器的正輸入，負輸入內部偏置為1/3 VDD。模擬源應電容耦合到輸入引腳，數字源可直接連接，但要確保數字電平在比較器的1/3 VDD閾值上下擺動。
• 視頻輸入與輸出：Y1、Y2、C1和C2引腳必須電容耦合到端接的視頻源，輸入被鉗位到CTHRESH電平；YOUT和COUT是模擬多路復用器的輸出，應盡量減少負載，以避免信號失真。

編程

• 間接寄存器訪問：通過SMPTE2（地址）和SMPTE3（數據）寄存器訪問間接寄存器，可使用自動遞增功能減少訪問次數。
• 中斷處理：中斷可由LTC接收器、LTC發生器、視頻行計數、定時器和UART五個源產生。SMPTE0寄存器包含前四個中斷的狀態，讀取該寄存器可清除中斷；UART中斷狀態在UART0寄存器中，通過讀取接收數據寄存器或寫入發送數據寄存器清除中斷。
• 讀取LTC：LTC數據接收后先放入臨時緩沖區，最后一位LTC數據接收后轉移到LTC讀取寄存器。LRI位在SMPTE0寄存器中設置為1，若LRIEN位也設置為1，則產生中斷，讀取SMPTE0寄存器清除中斷。
• 生成LTC：LTC發生器啟用（LTCEN設置為1）時，將LTC Write寄存器（IR8 - IRF）中的數據轉移到輸出緩沖區。LXI中斷位在數據轉移時設置為1。
• 讀取VITC：首先設置IR30 - IR33寄存器，選擇VITC讀取的視頻行，確保GENLOCK ENABLE位設置為1，VTRES位設置為0，Video Interrupt Line寄存器設置為所有VITC讀寫行之后的行。VLOCK位在SMPTE1寄存器中指示是否與選定的視頻源鎖相，只有VLOCK設置為1時，才能進行VITC讀取。
• 生成VITC：設置IR2E、IR2F、IR32和IR33寄存器，選擇VITC寫入的視頻行，確保GENLOCK ENABLE位設置為1，VTRES位設置為0，Video Interrupt Line寄存器設置為所有VITC讀寫行之后的行。選定視頻行開始時，輸出VITC Write緩沖區（IR20 - IR27）中的數據。
• 燒錄窗口：通過IR28和IR29寄存器控制燒錄窗口的位置，IR3E寄存器控制燒錄窗口的字符屬性，IR2A - IR2D寄存器控制燒錄窗口中顯示的字符。
• UART：通過命令/狀態寄存器和數據寄存器訪問UART，復位后需初始化命令寄存器才能使UART正常工作。波特率由UART0的1和0位控制，支持31.25 kHz（MIDI通信）、9600 Hz和38.4 kHz（大多數串行VTR傳輸控制）。

總結

ICS2008B芯片為多媒體設備的時間碼處理提供了全面而強大的解決方案。其豐富的功能和靈活的配置使其適用于各種需要SMPTE時間碼處理的應用場景。作為電子工程師，在設計相關產品時，深入了解ICS2008B的特性和功能，合理運用其寄存器進行編程，能夠有效提高產品的性能和穩定性。你在使用類似芯片時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。