基于CTV100平臺的DPTV系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
[導(dǎo)讀]本文從硬件和軟件兩方面詳細闡述了基于CTV100平臺的DPTV系統(tǒng),并給出了總體設(shè)計框圖和設(shè)計流程圖。
<STRONG>摘要:本文從硬件和軟件兩方面詳細闡述了基于CTV100平臺的DPTV系統(tǒng),并給出了總體設(shè)計框圖和設(shè)計流程圖。本項目采用意法半導(dǎo)體公司(ST)的CTV100解決方案,實現(xiàn)了對傳統(tǒng)模擬電視信號的高效數(shù)字域處理,顯著提高了電視畫面的圖像質(zhì)量;并通過采用基于32bitCPU的OS20嵌入式操作系統(tǒng),實現(xiàn)了多種傳統(tǒng)模擬電視無法實現(xiàn)的功能。
關(guān)鍵詞:數(shù)字處理電視;嵌入式操作系統(tǒng);狀態(tài)機;上變頻
DPTV ,即數(shù)字處理電視,它是在模擬廣播電視傳輸體制下,將接收到的模擬全電視信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后對數(shù)字信號進行存儲、處理和傳輸,最后再經(jīng)過D/ A 轉(zhuǎn)換電路,重新轉(zhuǎn)換為模擬信號并顯示播出的彩色電視接收機。DPTV 與傳統(tǒng)模擬電視的最大區(qū)別在于:它將接收到的模擬全電視信號首先經(jīng)過電視機內(nèi)部數(shù)字芯片的圖像、伴音全數(shù)字處理后才輸出顯示。因此,其整體性能與傳統(tǒng)的模擬電視相比有了大幅提高。本文介紹的系統(tǒng)為兩片方案,硬件電路設(shè)計簡單;軟件系統(tǒng)采用分層設(shè)計及模塊化設(shè)計的思想,層次分明,結(jié)構(gòu)合理;項目采用了專門針對嵌入式系統(tǒng)圖形界面開發(fā)的PEG工具,使得本系統(tǒng)開發(fā)的菜單和游戲具有較好的視覺效果，對于DPTV電視是一個很好的解決方案。
硬件平臺的構(gòu)建
總體設(shè)計框圖及硬件平臺
總體設(shè)計框圖如圖1所示。STV2310是用于處理標(biāo)準模擬信號,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出的高品質(zhì)視頻處理前端芯片。它能夠處理的信號包括NTSC/PAL/SECAM制式的CVBS電視信號,以及模擬的RGB和YCrCb信號。
圖1 總體設(shè)計框圖
STV3500是專用于100Hz TV解決方案的一款低成本、高集成度處理器芯片,可給予STV2310以有力支持。其內(nèi)部包括行、場倍頻器,可控制機內(nèi)各外設(shè)的接口和一個32位ST20系列CPU內(nèi)核,以及可顯示文字與圖片的內(nèi)部OSD生成器,可以接收復(fù)合標(biāo)準視頻解碼芯片(STV2310)傳輸?shù)姆螴TU2RBT.601/656標(biāo)準的視頻流。
顯示處理模塊由STV9211和STV9118兩芯片共同組成。STV9211用于將STV3500輸出的RGB信號進行預(yù)放大處理并提供對亮度、對比度、驅(qū)動電平及黑電平的調(diào)節(jié)功能。STV9118用于實現(xiàn)所有與行場偏轉(zhuǎn)相關(guān)的功能。這些功能都通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值實現(xiàn)。輸入信號切換模塊由CD4052芯片組成,它主要完成各種視頻輸入信號之間的切換。
系統(tǒng)工作流程
整個DPTV系統(tǒng)大致分為三個部分,即底板部分、數(shù)字板部分和顯示部分。其中底板部分和顯示部分是與傳統(tǒng)模擬電視相同的,而系統(tǒng)的數(shù)字板部分是傳統(tǒng)模擬電視所不具備的,是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。
經(jīng)底板部分調(diào)諧器(tuner)模塊對高頻信號的調(diào)諧選擇,電視信號被送入電視接收機。混頻后,中頻的電視信號被送入中頻處理芯片進行處理,從中提取出的全電視信號和音頻信號被分別送入各自的解碼芯片中進行處理。全電視信號被傳送到數(shù)字板上的STV2310中。A/D轉(zhuǎn)換模塊STV2310接收來自電視機底板的各種模擬電視信號,在將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,送入STV2310的亮色分離模塊,由于STV2310采用的數(shù)字梳狀濾波器性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)模擬電視的模擬亮色分離模塊,亮、色信號間的串?dāng)_可獲得最大限度的降低,使得圖像的質(zhì)量極大改善。之后,亮度、色度信號被分別處理后重新組合并按4∶2∶2YCrCb的格式輸出。其輸出將被送入中央處理器芯片STV3500。
在STV3500中,輸入的視頻數(shù)據(jù)流首先被轉(zhuǎn)換成需要的顯示格式。上變頻技術(shù)是采取場頻加倍(50Hz增加到100Hz)的方式改善傳統(tǒng)模擬電視由于場頻較低而引起的大面積閃爍,使圖像更為穩(wěn)定、流暢。此芯片可根據(jù)上變換的模式,產(chǎn)生出正確的視頻顯示序列。在經(jīng)過芯片內(nèi)各圖像增強技術(shù)的處理后,電視菜單、光標(biāo)和背景將被疊加到電視圖像上,最后,此疊加信號將被送至連接于STV3500之后的視頻顯示模塊。在視頻顯示模塊中對圖像的顯示效果進行一些必要的處理后,圖像將以RGB格式送入DPTV系統(tǒng)的顯示部分顯示。
軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)
軟件架構(gòu)
本項目軟件系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計,整個系統(tǒng)可以劃分為四個層次,即系統(tǒng)層、驅(qū)動層、服務(wù)層、以及應(yīng)用層。采用這種結(jié)構(gòu),使得整個系統(tǒng)具有較高的靈活性,易于移植,便于理解和開發(fā)。
1)系統(tǒng)層。用來為其他三層提供操作系統(tǒng)功能接口。本系統(tǒng)采用了OS20實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)提供了操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),使其它各層能夠完全獨立于操作系統(tǒng)。
2)驅(qū)動層。直接與硬件打交道的一層,本層采用模塊化的設(shè)計思想,不同的芯片或芯片功能被劃分為不同的模塊,每個驅(qū)動層模塊為上層訪問該芯片或芯片功能提供接口。
3)服務(wù)層。位于驅(qū)動層之上,該層整合驅(qū)動層模塊功能,為其上層應(yīng)用層提供接口。
4)應(yīng)用層。是整個軟件系統(tǒng)的核心部分,用戶菜單就是在這一層生成的,同時,整個軟件系統(tǒng)的管理也在這一層實現(xiàn)。
軟件流程
程序流程圖如圖2所示。
圖2 DPTV的軟件流程圖
在操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化完成之后,中斷、句柄、信號量等系統(tǒng)必備要素也接著被初始化,這時整個操作系統(tǒng)就完全運行起來了。隨后,系統(tǒng)會創(chuàng)建其主任務(wù),其他所有分任務(wù)都是在這個主任務(wù)中被創(chuàng)建的。在完成各個驅(qū)動層模塊、服務(wù)層模塊的初始化之后,根據(jù)系統(tǒng)模塊的劃分,操作系統(tǒng)會創(chuàng)建多個分任務(wù),以后針對不同模塊的控制都由這些模塊對應(yīng)的任務(wù)進行。之后,主任務(wù)就進入無限循環(huán)等待外部消息的到來,負責(zé)管理OSD菜單的Peg任務(wù)也進入無限循環(huán)等待外部消息觸發(fā)。其中運用了狀態(tài)機這一機制來實現(xiàn)對大量不同消息的處理。當(dāng)用戶需要關(guān)閉電視時,操作系統(tǒng)首先將各個分任務(wù)刪除,釋放信號量、句柄等資源并結(jié)束主任務(wù),此時,系統(tǒng)只運行操作系統(tǒng)最基本的功能以等待用戶再一次激活整個系統(tǒng)。
狀態(tài)機機制是整個軟件系統(tǒng)的核心。當(dāng)用戶按下遙控器或機身前面板按鍵時,消息被送入循環(huán)等待消息的主狀態(tài)機。主狀態(tài)機分析處理消息,并通過驅(qū)動層模塊對底層相應(yīng)芯片進行操作以按用戶要求改變電視機狀態(tài),同時通過ap_mmi_KeyStrike()函數(shù)向用戶界面層中的Peg任務(wù)傳遞消息,請求菜單改變。Peg狀態(tài)機接受處理來自主狀態(tài)機的消息并按照要求改變用戶界面,如果有需要,Peg狀態(tài)機還可以通過回調(diào)函數(shù)ap_cmd_PegCallBack()向底層請求執(zhí)行硬件操作。
系統(tǒng)性能分析
與傳統(tǒng)模擬電視及其他DPTV相比,本系統(tǒng)采用了多項獨有技術(shù),使得電視畫面的質(zhì)量得到了顯著改善。本系統(tǒng)的主要特點包括:
1)STV3500內(nèi)嵌的32bit100MHzCPU.這樣大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,為系統(tǒng)提供高質(zhì)量的畫面質(zhì)量提供了保證。
2)獨有的上變頻算法。該算法提供了多種模式(AA*B*B、ABAB、Proscan場合并或內(nèi)插模式)的上變換以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和輸入信號類型。根據(jù)信號來源,CPU會自動選擇優(yōu)化的倍頻模式處理數(shù)據(jù)。
3)特有的OSD生成器以及圖像合成器。用于各圖層的疊加,內(nèi)嵌的2D加速引擎可加快圖像的顯示速度;支持256色顯示,支持256級透明度設(shè)置,使系統(tǒng)的菜單和游戲色彩搭配更加豐富。
4)圖像增強模塊。在STV3500內(nèi)部,通過各種數(shù)字域處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量。這些技術(shù)主要包括:色度順態(tài)增強,3D瞬時降噪,運動估計,對比度增強等。
關(guān)鍵詞:數(shù)字處理電視;嵌入式操作系統(tǒng);狀態(tài)機;上變頻
DPTV ,即數(shù)字處理電視,它是在模擬廣播電視傳輸體制下,將接收到的模擬全電視信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后對數(shù)字信號進行存儲、處理和傳輸,最后再經(jīng)過D/ A 轉(zhuǎn)換電路,重新轉(zhuǎn)換為模擬信號并顯示播出的彩色電視接收機。DPTV 與傳統(tǒng)模擬電視的最大區(qū)別在于:它將接收到的模擬全電視信號首先經(jīng)過電視機內(nèi)部數(shù)字芯片的圖像、伴音全數(shù)字處理后才輸出顯示。因此,其整體性能與傳統(tǒng)的模擬電視相比有了大幅提高。本文介紹的系統(tǒng)為兩片方案,硬件電路設(shè)計簡單;軟件系統(tǒng)采用分層設(shè)計及模塊化設(shè)計的思想,層次分明,結(jié)構(gòu)合理;項目采用了專門針對嵌入式系統(tǒng)圖形界面開發(fā)的PEG工具,使得本系統(tǒng)開發(fā)的菜單和游戲具有較好的視覺效果，對于DPTV電視是一個很好的解決方案。
硬件平臺的構(gòu)建
總體設(shè)計框圖及硬件平臺
總體設(shè)計框圖如圖1所示。STV2310是用于處理標(biāo)準模擬信號,并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出的高品質(zhì)視頻處理前端芯片。它能夠處理的信號包括NTSC/PAL/SECAM制式的CVBS電視信號,以及模擬的RGB和YCrCb信號。
圖1 總體設(shè)計框圖
STV3500是專用于100Hz TV解決方案的一款低成本、高集成度處理器芯片,可給予STV2310以有力支持。其內(nèi)部包括行、場倍頻器,可控制機內(nèi)各外設(shè)的接口和一個32位ST20系列CPU內(nèi)核,以及可顯示文字與圖片的內(nèi)部OSD生成器,可以接收復(fù)合標(biāo)準視頻解碼芯片(STV2310)傳輸?shù)姆螴TU2RBT.601/656標(biāo)準的視頻流。
顯示處理模塊由STV9211和STV9118兩芯片共同組成。STV9211用于將STV3500輸出的RGB信號進行預(yù)放大處理并提供對亮度、對比度、驅(qū)動電平及黑電平的調(diào)節(jié)功能。STV9118用于實現(xiàn)所有與行場偏轉(zhuǎn)相關(guān)的功能。這些功能都通過設(shè)置相關(guān)寄存器的值實現(xiàn)。輸入信號切換模塊由CD4052芯片組成,它主要完成各種視頻輸入信號之間的切換。
系統(tǒng)工作流程
整個DPTV系統(tǒng)大致分為三個部分,即底板部分、數(shù)字板部分和顯示部分。其中底板部分和顯示部分是與傳統(tǒng)模擬電視相同的,而系統(tǒng)的數(shù)字板部分是傳統(tǒng)模擬電視所不具備的,是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。
經(jīng)底板部分調(diào)諧器(tuner)模塊對高頻信號的調(diào)諧選擇,電視信號被送入電視接收機。混頻后,中頻的電視信號被送入中頻處理芯片進行處理,從中提取出的全電視信號和音頻信號被分別送入各自的解碼芯片中進行處理。全電視信號被傳送到數(shù)字板上的STV2310中。A/D轉(zhuǎn)換模塊STV2310接收來自電視機底板的各種模擬電視信號,在將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后,送入STV2310的亮色分離模塊,由于STV2310采用的數(shù)字梳狀濾波器性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)模擬電視的模擬亮色分離模塊,亮、色信號間的串?dāng)_可獲得最大限度的降低,使得圖像的質(zhì)量極大改善。之后,亮度、色度信號被分別處理后重新組合并按4∶2∶2YCrCb的格式輸出。其輸出將被送入中央處理器芯片STV3500。
在STV3500中,輸入的視頻數(shù)據(jù)流首先被轉(zhuǎn)換成需要的顯示格式。上變頻技術(shù)是采取場頻加倍(50Hz增加到100Hz)的方式改善傳統(tǒng)模擬電視由于場頻較低而引起的大面積閃爍,使圖像更為穩(wěn)定、流暢。此芯片可根據(jù)上變換的模式,產(chǎn)生出正確的視頻顯示序列。在經(jīng)過芯片內(nèi)各圖像增強技術(shù)的處理后,電視菜單、光標(biāo)和背景將被疊加到電視圖像上,最后,此疊加信號將被送至連接于STV3500之后的視頻顯示模塊。在視頻顯示模塊中對圖像的顯示效果進行一些必要的處理后,圖像將以RGB格式送入DPTV系統(tǒng)的顯示部分顯示。
軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)
軟件架構(gòu)
本項目軟件系統(tǒng)采用層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計,整個系統(tǒng)可以劃分為四個層次,即系統(tǒng)層、驅(qū)動層、服務(wù)層、以及應(yīng)用層。采用這種結(jié)構(gòu),使得整個系統(tǒng)具有較高的靈活性,易于移植,便于理解和開發(fā)。
1)系統(tǒng)層。用來為其他三層提供操作系統(tǒng)功能接口。本系統(tǒng)采用了OS20實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)提供了操作系統(tǒng)抽象層(OSAL),使其它各層能夠完全獨立于操作系統(tǒng)。
2)驅(qū)動層。直接與硬件打交道的一層,本層采用模塊化的設(shè)計思想,不同的芯片或芯片功能被劃分為不同的模塊,每個驅(qū)動層模塊為上層訪問該芯片或芯片功能提供接口。
3)服務(wù)層。位于驅(qū)動層之上,該層整合驅(qū)動層模塊功能,為其上層應(yīng)用層提供接口。
4)應(yīng)用層。是整個軟件系統(tǒng)的核心部分,用戶菜單就是在這一層生成的,同時,整個軟件系統(tǒng)的管理也在這一層實現(xiàn)。
軟件流程
程序流程圖如圖2所示。
圖2 DPTV的軟件流程圖
在操作系統(tǒng)內(nèi)核初始化完成之后,中斷、句柄、信號量等系統(tǒng)必備要素也接著被初始化,這時整個操作系統(tǒng)就完全運行起來了。隨后,系統(tǒng)會創(chuàng)建其主任務(wù),其他所有分任務(wù)都是在這個主任務(wù)中被創(chuàng)建的。在完成各個驅(qū)動層模塊、服務(wù)層模塊的初始化之后,根據(jù)系統(tǒng)模塊的劃分,操作系統(tǒng)會創(chuàng)建多個分任務(wù),以后針對不同模塊的控制都由這些模塊對應(yīng)的任務(wù)進行。之后,主任務(wù)就進入無限循環(huán)等待外部消息的到來,負責(zé)管理OSD菜單的Peg任務(wù)也進入無限循環(huán)等待外部消息觸發(fā)。其中運用了狀態(tài)機這一機制來實現(xiàn)對大量不同消息的處理。當(dāng)用戶需要關(guān)閉電視時,操作系統(tǒng)首先將各個分任務(wù)刪除,釋放信號量、句柄等資源并結(jié)束主任務(wù),此時,系統(tǒng)只運行操作系統(tǒng)最基本的功能以等待用戶再一次激活整個系統(tǒng)。
狀態(tài)機機制是整個軟件系統(tǒng)的核心。當(dāng)用戶按下遙控器或機身前面板按鍵時,消息被送入循環(huán)等待消息的主狀態(tài)機。主狀態(tài)機分析處理消息,并通過驅(qū)動層模塊對底層相應(yīng)芯片進行操作以按用戶要求改變電視機狀態(tài),同時通過ap_mmi_KeyStrike()函數(shù)向用戶界面層中的Peg任務(wù)傳遞消息,請求菜單改變。Peg狀態(tài)機接受處理來自主狀態(tài)機的消息并按照要求改變用戶界面,如果有需要,Peg狀態(tài)機還可以通過回調(diào)函數(shù)ap_cmd_PegCallBack()向底層請求執(zhí)行硬件操作。
系統(tǒng)性能分析
與傳統(tǒng)模擬電視及其他DPTV相比,本系統(tǒng)采用了多項獨有技術(shù),使得電視畫面的質(zhì)量得到了顯著改善。本系統(tǒng)的主要特點包括:
1)STV3500內(nèi)嵌的32bit100MHzCPU.這樣大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力,為系統(tǒng)提供高質(zhì)量的畫面質(zhì)量提供了保證。
2)獨有的上變頻算法。該算法提供了多種模式(AA*B*B、ABAB、Proscan場合并或內(nèi)插模式)的上變換以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和輸入信號類型。根據(jù)信號來源,CPU會自動選擇優(yōu)化的倍頻模式處理數(shù)據(jù)。
3)特有的OSD生成器以及圖像合成器。用于各圖層的疊加,內(nèi)嵌的2D加速引擎可加快圖像的顯示速度;支持256色顯示,支持256級透明度設(shè)置,使系統(tǒng)的菜單和游戲色彩搭配更加豐富。
4)圖像增強模塊。在STV3500內(nèi)部,通過各種數(shù)字域處理技術(shù)改善圖像質(zhì)量。這些技術(shù)主要包括:色度順態(tài)增強,3D瞬時降噪,運動估計,對比度增強等。
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