TVP5150的低功耗視頻解碼模塊

隨著便攜式多媒體終端需求量迅速增加，在視頻解碼等方面對芯片低功耗的要求也越來越高。

       因此，只有將模擬視頻信號轉換成為符合ITU-R BT.656標準的數字信號，才可方便地利用FPGA或者DSP甚至PC機來進行信號處理。本模塊就是利用TI公司的超低功耗TVP5150芯片對視頻信號A／D解碼，由單片機通過I2C總線控制，預留地址數據等接口，作為模塊驗證以及后續數字信號處理之用。

       1模塊硬件構成

       1.1系統基本構成

       系統總體構成框圖如圖1所示。

       TVP5150是超低功耗、支持NTSC／PAL／SECAM等格式的高性能視頻解碼器，在正常工作時，它的功耗僅115 mW，并且具有超小封裝(32腳的TQFP)，因此非常適用于便攜、批量大、高質量和高性能的視頻產品。它可以接收2路復合視頻信號(CVBS)或1路S-Video信號。通過單片機I2C總線設置內部寄存器，可以輸出8位4：2：2的ITU-R BT.656信號(同步信號內嵌)，以及8位4：2：2的ITU-R BT.601信號(同步信號分離，單獨引腳輸出)。

       單片機選用TI公司的MSP430F2013，超低功耗，有2 kB+256 B Flash存儲器和128 B RAM，14腳超小封裝(TSSOP)。其功耗是一般單片機的1／5，特別適合于手持設備，在1.8 V～3.6 V電壓、1 MHz的時鐘條件下，耗電電流在0.1 μA～400 μA之間(因工作模式不同而不同)。單片機通過MAX3232與串口連接，由PC機通過串口對單片機在線編程，方便對單片機程序及時修改。由PC設置并且隨時調整TVP5150的內部寄存器，控制其工作狀態，輸出信號等。單片機預留控制口，以增加本模塊的可擴展性。

       74HC16245總線控制器用來提高本模塊輸出信號的負載驅動能力，它是可選部分，視需要可將信號直通以降低模塊功耗。如果有多個模塊組合工作，由單片機對74HC16245使能控制，協調各模塊信號輸出。

       驗證模塊主要由SAA7121視頻編碼芯片構成，可將8位4：2：2的ITU-R BT.656或者ITU-R BT.601輸入信號編碼成CVBS信號或S-Video信號輸出。如果TVP5150解碼模塊工作正常，利用此驗證模塊可以得到模擬視頻信號，接人顯示設備可得到輸入圖像。

       1.2系統硬件設計

       TVP5150芯片應用原理圖如圖2所示。芯片采用14.318 18 MHz晶振，數字和模擬輸入電壓為1.8 V，IO口電壓為3.3 V；信號輸入有CH1和CH2兩路，并且都進行阻抗匹配設計，防止對輸入信號的反射；YOUT[0：7]輸出8路YCbCr信號，消隱信號可選擇單獨引腳HSYNC和VSYNC輸出，或者內嵌于這8路信號中。PCLK／SCLK腳時鐘信號可輸出13.5 MHz和27 MHz兩種頻率。

       2模塊程序構成

       本模塊主要由PC機與單片機串口通信程序和單片機與TVP5150的I2C控制程序兩部分軟件組成。

       2.1 PC機與單片機串口通信程序

       PC機與單片機通信協議見表1。

       注：帶引號部分為傳輸數據頭，供單片機識別處理；Addr為地址；Data為數據。

       本程序在dephi7.0開發環境下完成設計，配置文件為txt格式，能讀取和保存配置文件，在配置表格中能對配置文件進行簡單處理，能選取配置文件中的寄存器信息通過串口發送給單片機，并且能讀取單片機發送來的寄存器信息。

       程序分為前臺的界面處理與后臺數據和功能處理兩層。前臺只負責界面的設置與動作，對表格中一切數據的處理都在后臺。通過SPcomm串口通信控件進行串口通信操作。

定義Sendlist和Revlist兩個類，將所有允許發送項存入Sendlist，然后通過串口發送，而接收到的單片機發送來的數據存入Revlist。然后，將Sendlist和Revlist兩者進行對比。如果相同，則存儲，并在表格中顯示；否則，報錯處理。每發送一個寄存器項有一定的延時用于單片機處理。軟件有超時設置，如果發送5 s后無法接收到單片機回復數據，則判斷為超時出錯。

       本程序流程如圖3所示。

       2.2 單片機程序

       單片機程序完成串口通信和I2C總線控制兩個功能。

       圖4為I2C時序圖。I2C總線是由數據線SDA和時鐘線SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。I2C總線在傳送數據過程中有以下3種類型信號：

       a)開始信號(Start)。SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數據。
       b)結束信號(Stop)。SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結束傳送數據。
       c)應答信號(AcK)。接收數據的IC在接收到8 bit數據后，向發送數據的IC發出特定的低電平脈沖，表示已收到數據。

       I2C總線在傳送數據時，必須保證在SCL高電平時SDA上數據穩定，否則就判斷為開始或結束信號。

        單片機內程序按照通信協議與PC機進行數據傳輸，然后識別數據頭，按協議分別處理，經由I2C總線，對TVP5150內部寄存器進行讀寫操作。單片機通信收發主程序由C語言編寫，通過串口中斷接收PC機數據，判斷接收的是數據頭還是有效數據。當接收數據頭R時，回發PC機r，然后將后面的1個字節地址，由I2C總線操作讀出TVP5150該地址寄存器中的數據，并通過串口回發給PC機。如果幀頭是W，回發PC機w，并且緩存它后面2個字節的數據，第1個字節為TVP5150寄存器地址，第2個為寫入該寄存器的數據。通過I2C總線完成此寫操作，并讀出寫入數據后寄存器中數據，通過串口回發給PC機，以備PC機端軟件校驗。

        3主要視頻信號

        3.1輸出信號

        模塊將模擬視頻信號解碼成符合ITU-R BT.656標準的數字視頻信號，輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數字信號。同步信號內嵌于數據流中串行輸出，也可以單獨引腳與數據流并行輸出。 圖5所示為完整一幀數據，分奇偶兩場，23～311行是偶數場數據，366～624行是奇數場數據，其余為場控制信號或者無效數據。FID為奇偶場指示信號，在場同步信號(VSYNC)下降沿跳變。VBLK為場消隱信號，高電平有效，可以通過設置TVP5150寄存器來改變其長短，控制有效圖像數據輸出，因為在VBLK信號低電平期間對應輸出視頻有效數據。

        每一行的數據結構如圖6所示。每行開始的288字節為行控制信號，開始的4字節為EAV(有效視頻結束)信號，緊接著280個固定填充數據，最后4個字節是SAV(有效視頻起始)信號。SAV信號和EAV信號有3字節的前導：FF、FF、00；最后1字節XY表示該行位于整個數據幀的位置以及如何區分SAV、EAV信號。

       XY各位的含義如圖7所示。圖中最高位是固定數據1，F=0表示偶數場，F=1表示奇數場；V=0表示該行為有效視頻數據，V=1表示該行沒有有效視頻數據；H=0表示為SAV信號，H=1表示為EAV信號；

P3～P0為保護信號，由F、V、H信號計算生成。

       3.2 AVID截取

       AVID信號是TVP5150產生的專有信號，是有效視頻數據指示信號，AVID低電平時輸出數據無效，高電平有效。這樣就提供了一種控制TVP5150輸出視頻數據帶寬的方法。通過寄存器設置，控制AVID的開始和結束時機，同時對VBLK信號起始時機進行控制，那么就能從一幀圖像中截取某些部分輸出，如圖8所示。

        4結束語

        本模塊的調試結合了SAA7121視頻編碼模塊。由視頻信號發生器輸出模擬視頻信號經過本模塊解碼，轉換為數字視頻信號，再由SAA7121模塊轉換成模擬視頻信號接入顯示設備，如果模塊運行正常，就可以看到顯示設備上對應的輸入畫面。第1步將RGB各單色視頻信號輸入，通過示波器觀察輸出視頻及各同步信號，時序正常后，經SAAT121模塊接入顯示設備。得到正確圖像后，模塊由DVD機輸入CVBS信號，顯示設備得到正常影像則調試基本完成。調試的主要工作在于TVP5150的內部寄存器正確設置及其改變對輸出各信號的影響。如果開啟74HC16245，那么本實驗模塊總功耗在200 mW左右；關閉則功耗可控制在130 mW左右。可見，本視頻解碼模塊的功耗參數非常低，如果優化單片機程序，還可進一步降低功耗。本模塊將模擬復合視頻信號解碼成符合ITU-RBT.656標準的數字視頻信號輸出。方便利用FPGA、DSP等進行數字視頻信號輸出，方便利用FPGA、DSP等進行數字視頻圖像去隔行，方便利用FPGA等進行數字視頻力圖像去隔行，分辨率轉換甚至MPEG編碼等處理。