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FPGA/PLD  

在手持裝置中實現LCD和電視訊號同時輸出

上網時間: 2008年03月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:手持式設備  X/Y交換  電源管理 

手持式設備正變得越來越先進,比以往任何時候都能處理更多的多媒體應用。過去的行動應用只能在高階可攜式個人電腦(PC)上執行,而現在可以輕鬆地在個人數位助理(PDA)設備或智慧電話設備上執行。顯然,手持產品正在匯聚各種能力,使行動電話、PDA、數位相機(DSC)、相機和音訊/視訊個人媒體播放器(PMP)之間的界限越來越模糊。

隨著手持式設備越來越複雜,它們的能力和功能將變得更像PC或筆記型電腦。這些設備在許多情況下也可以執行Windows作業系統的行動版本,使用色彩更加豐富的大螢幕高解析度顯示器、高速連接、大量非揮發性記憶體和QWERTY鍵盤,有可能減少可攜式PC用戶。這些手持式設備的新功能之一是驅動外部監控顯示器、投影儀或電視的能力。這種能力通常稱為視訊繪圖陣列(VGA)或電視輸出功能。預計2010年,所有智慧電話中40%以上將具有實際的電視輸出功能。

雖然增加一個諸如VGA或電視輸出的功能似乎就像增加適當的連接器那樣簡單,但這卻增加引發了電源管理、設備互通作業性和用戶互動方面的許多系統設計挑戰。本文將探討這些問題,並針對這些技術性系統設計挑戰提出了基於QuickLogic可編程解決方案平台的解決方案。

面臨的挑戰

在手持式設備中增加驅動外部顯示器的能力,必須面對以下系統性挑戰:

電源管理:全速(每秒60訊框(fps)VGA或30fps NTSC)視訊需採用極耗功率的額外元件,如用於訊框緩衝的外部儲存設備、繪圖處理器、視訊數位類比轉換器(DAC)和NTSC(國家電視系統委員會)/PAL(逐行倒相)編碼器等。這些額外的元件組合起來可能會嚴重侵蝕系統的功率預算,影響設備的總能耗,也將縮短電池使用時間。當增加這些元件時,必須對它們的功率進行適當管理,以便在工作時消耗最少的功率,而在不使用時消耗非常少甚至沒有功耗。

互通作業性:增加外部顯示設備的驅動功能和能力後,用戶就能將系統連接到任何地區、任何年代甚至任何品牌的顯示器。因此,能夠靈活地匹配大多數全球通用標準的輸出視訊時序和解析度就變得非常重要了。此外,手持設備內部自帶顯示器的時序和解析度可能無法滿足外部顯示器的要求。因此,VGA或電視輸出子系統必須具備諸如訊框頻轉換和視訊縮放/裁剪等功能。而且對用戶來說,調整由這些功能提供的參數必須直觀和容易管理。

用戶互動:除了要求能夠方便地管理外部顯示子系統外,在使用外部顯示器時,用戶還必須能夠為設備提供觸覺型輸入。許多PDA或智慧電話設備都有液晶顯示(LCD)觸控式螢幕,它是與用戶之間的主要介面,當使用外部連接的顯示器時,它必須不斷接受用戶的輸入。如果接觸感測器矩陣下的相應顯示器不能正常工作,就無法讓用戶使用LCD觸控式螢幕輸入。這意味著外部顯示器和內部自帶顯示器必須同時工作(即同時掃描)。雖然這似乎很簡單,但若內部和外部顯示器在長寬比、視訊時序(訊框頻)和解析度方面不同,將是一個極大的挑戰。

手持式設備實例

在以下討論的手持式設備實例中,設備採用的是‘直立螢幕’模式的VGA(480×640)解析度彩色主動矩陣LCD顯示器。由於它們與設備本身的形狀相匹配,而且類似於8 1/2×11的紙張或人像風格照片,因此直立顯示器(而非橫式顯示器)在手持式設備很常見。高階手持式設備可根據用戶手持設備的方向將影像旋轉90度,例如當顯示相對於靜態影像的視訊,或用戶使用一個QWERTY鍵盤輸入時。雖然影像可透過繪圖處理器輕鬆旋轉90度,但相對於自帶顯示設備,掃描方向卻是固定的。

對一個如圖1所示的直立螢幕型LCD顯示器來說,在顯示器的短邊朝向頂部時,LCD的掃描方向是從左至右、從上至下。這是一個長寬比為3:4的螢幕,與典型的4:3(640×480)VGA顯示器相較掃描方向差90度。因此如圖1所示,需要一個X/Y交換作業以便在兩個顯示設備上同時顯示相同的影像。雖然兩種情況下兩個顯示器之間的訊框頻(垂直同步)時序可能保持不變,但是行數和行頻(水平同步)時序是不同的。

圖1:VGA解析度、掃描方向相反的3:4直立螢幕和4:3橫式螢幕顯示器實例。
圖1:VGA解析度、掃描方向相反的3:4直立螢幕和4:3橫式螢幕顯示器實例。

至於顯示器的影像,自帶顯示器是逐行寫入的,外部顯示器是同時逐列寫入的。由於必須要一個整訊框的行才能組成一個影像列,因此需要使用一個全訊框緩衝器才能成功地執行X/Y交換作業。

進一步分析這個例子,如果自帶直立螢幕VGA LCD顯示器必須鎖定到60Hz的訊框頻,並與外部PAL(50Hz訊框頻)或NTSC(59.94Hz訊框頻)顯示器同時使用,那麼兩個顯示器之間的訊框頻(垂直同步)時序也可能不同。

自帶顯示器和外部顯示器訊框頻的不同意味著X/Y交換影像緩衝器也必須能夠處理不同的寫入與讀取速率,因此必須能夠適應不同的畫素時脈速率,並能管理(動態丟棄或重用)多個臨時訊框緩衝器。

X/Y交換和訊框頻轉換作業必須即時進行,功耗要盡可能低,盡可能用最少的元件,並佔用盡可能少的PCB面積。所有這些技術要求必須滿足,同時要使材料清單(BOM)成本最低。

手持式設備實例

雖然上述問題將帶來非常艱鉅的數位設計挑戰,但是採用嵌入式FIFO、並能與具有不同I/O電壓的多種外部高速元件相連的QuickLogic低功率解決方案平台是理想的解決方案。圖2為X/Y解決方案的系統結構圖。

圖2: X/Y交換顯示子系統解決方案。
圖2: X/Y交換顯示子系統解決方案。

這個解決方案選擇了8×8mm 132焊球BGA封裝的QuickLogic PolarPro可編程解決方案平台。訊框緩衝器採用一個單路16倍速行動(1.8V)SDRAM元件實現。視訊編碼器功能採用一個Chrontel VGA/NTSC/PAL編碼元件實現。整個視訊子系統由一個繪圖處理器驅動,它以相同的數據和時序(480×640解析度、60Hz訊框頻、逐行掃描、RGB565(16位元)格式)同時驅動QuickLogic元件和直立的LCD顯示器。

圖3顯示了QuickLogic X/Y交換設計內部模組。

圖3: X/Y交換設計模組結構圖。
圖3: X/Y交換設計模組結構圖。

QuickLogic PolarPro元件負責以下一些系統功能:

1. X/Y交換作業:這個功能可依照所實現的尋址方案簡單地透過寫入和讀取外部SDRAM記憶體來實現。輸入的視訊被寫入PolarPro元件的輸入FIFO,並在輸入FIFO中將LCD畫素時脈頻率與SDRAM時脈頻率分離。SDRAM時脈頻率固定在輸入的100MHz主時脈導出頻率上。數據從輸入FIFO讀取,並根據輸出影像方向以單列逐行方式寫入SDRAM記憶體。然後再根據輸出影像方向以單行逐列方式從SDRAM記憶體中讀取數據。這個數據將經過輸出FIFO送出,並由輸出FIFO將SDRAM時脈與電視輸出時脈分離。輸出FIFO直接驅動VGA/NTSC/PAL編碼元件。當產生突發作業時,所有SDRAM存取都將被執行,最大化匯流排效率。

2.訊框頻轉換:這個功能可管理SDRAM中的多個訊框緩衝器,在60Hz輸入訊框頻時,可以使輸出訊框頻在VGA模式時為60Hz、NTSC時為59.94Hz,PAL時為50Hz。雖然VGA/NTSC/PAL編碼器晶片能夠為這三種輸出模式提供一種合適的畫素時脈頻率,但是它要求640×480逐行掃描橫式螢幕數據以及垂直和水平同步時序相容所選擇的輸出標準。因此在將輸出畫素時脈作為參考的條件下,PolarPro元件負責根據所選模式產生輸出VSYNC和HSYNC時序。在SDRAM中儲存和管理著多個訊框緩衝器,因此可從輸入影像正確地構成不同訊框頻的輸出影像。PolarPro元件可根據輸入和輸出訊框頻的時序差異自動確定儲存在SDRAM中的訊框是丟棄還是重用。此外,訊框頻轉換是利用標準SDRAM元件和單條16位元雙向數據匯流排實現的。管理SDRAM訊框緩衝器無需使用雙埠、雙匯流排或者‘乒乓’元件方法。

3. 電源管理:PolarPro元件內的設計可以有選擇地停止所有顯示子系統時脈,並關閉相關的SDRAM元件以節省系統電池電量。PolarPro元件本身還具有超低功耗(VLP)模式,在這個模式下可命令元件進入一種低功耗靜止狀態,在工作電壓為1.8V時電流可低至2.2μA。在這種模式下,所有內部暫存器和FIFO位元都處於保持狀態,元件可以用系統CPU的命令在250μs以內‘喚醒’。在工作模式下,PolarPro元件在1.8V時消耗電流小於30mA,並能執行所有動態作業。

4. 配置:系統中的主CPU依靠內部積體電路匯流排(I2C)與PolarPro FPGA進行通訊。透過這個介面,CPU能夠用正確的輸出時序和格式對設計進行配置,還可以配置電源管理特性。

5. 電壓轉換:PolarPro元件最多可提供4個I/O電壓域。輸入LCD介面、SDRAM介面和電視輸出介面都可以在不同的I/O電壓下工作。當降低功耗是關鍵系統目標時這一特性尤其重要──行動(1.8V)SDRAM可同時在該系統中使用,而繪圖處理器和LCD編碼元件還可以工作在更高的I/O電壓(>1.8V)。

值得注意的是,雖然以上討論的設計可以利用這個具體的特殊設計實現方法應對X/Y交換的挑戰,不過PolarPro平台本身是可編程的。因此,修改設計以支援額外的電源管理功能、減少或增加支援的顯示解析度或者增加設計所支援的色彩深度都很容易實現。

本文小結

對於具有電視輸出功能的手持式設備來說,如果內部自帶直立螢幕顯示器準備和外部連接顯示設備實現同步掃描,那麼視訊子系統設計必須採用具有X/Y交換作業和訊框頻轉換功能的元件。如上所述,為了正確地解決這個問題,所選的元件必須消耗非常少的靜態和動態功率,包含能夠跨時脈域的嵌入式FIFO,並能靈活地連接具有各種I/O電壓的外部設備。

QuickLogic利用PolarPro可編程解決方案平台解決了這個系統問題,它消耗的系統功率非常少,可大幅減少材料成本和節省PCB面積。此外,這個設計目前已經可用,並經實際硬體所驗證。在快速變化的手持式消費性電子產品設計世界中,上市時間絕對關鍵。QuickLogic推出的用於同步顯示X/Y交換的可編程解決方案,以及用於連接解決方案的可編程CPU配套系列元件有助於設計人員和系統整合商更快推出具有ASIC低功率特性的產品。

作者:Judd E. Heape

產品應用總監

QuickLogic公司




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