随着Blackfin系列等低功耗定点处理器性能的提高和普及，它们可以服务于越来越多的多媒体应用。许多这样的应用需要小的、低功耗的液晶显示器(LCD)面板，一般来说，这些面板的视频分辨率低于广播电视使用的完整的NTSC/PAL视频。这些面板通常由微控制器或专用LCD控制器芯片控制。但今天，Blackfin处理器有足够的性能来处理信号处理和控制功能，也可以直接连接到LCD显示器，大大降低了系统成本和复杂性。本文将讨论ADSP-BF561 Blackfin处理器的并行外设接口(PPI)如何将LCD显示功能集成到高性能媒体处理领域，从而允许单个处理器同时用于系统处理和显示驱动。

被动与主动

液晶阵列技术主要分为无源矩阵和有源矩阵两大类。

在前者中，具有行印迹的玻璃基板与具有柱印迹的基板形成液晶夹层。像素在行-列交叉处定义。为了激活一个给定的像素，时序电路使像素的列通电，同时使其行接地。由此产生的电压差使液晶在像素位置附近不透明，阻挡光线通过。

无源矩阵技术虽然简单明了，但也存在一些不足。首先，屏幕刷新时间相对较慢(这可能导致快速移动的图像出现重影)。此外，在行-列交叉处的电压场有一种倾向，会溢出到邻近的像素，部分地解开液晶并阻挡一些光通过周围的像素区域。其效果是模糊图像中的边缘并降低对比度。

有源矩阵液晶显示技术，采用类似ic的制造工艺，是相当大的改进。每个像素都有一个电容器，用于在刷新周期之间保持电荷，还有一个晶体管开关(由此产生了流行的术语，薄膜晶体管tft显示器)。为了寻址一个特定的像素，将启用它的行，并向它的列施加电压。这具有仅隔离感兴趣的像素的效果，因此附近的其他像素不受影响。在控制给定像素时绘制的电流减少，因此像素可以以更快的速率切换，与无源显示器相比，tft的刷新率更快。更重要的是，调制施加到像素的电压水平允许许多离散的亮度水平。今天，通常有256个级别，对应于8位的强度。

对于彩色显示器，每个像素实际上有三个子像素——红、绿、蓝(R-G-B)滤光片——人眼看到的是单一色斑。例如，一个320 × 240像素的显示器实际上有960 × 240子像素，包括R、G和B组件。每个亚像素有8位强度，从而形成了常见的24位彩色LCD显示的基础。

由于LCD技术依赖于在像素水平上调节光的通过，人们可能会想知道光将在哪里产生。许多小的、低成本的单色液晶都是反射的，这意味着外部光线会从基板反射出去，但会被液晶段充电的区域阻挡。

由于TFT彩色显示器有数百万个晶体管来过滤入射光，因此反射显示器在有源矩阵技术中不会有效。相反，显示器是背光的(或透射);通常是荧光灯或白光发射二极管(LED)阵列，集成到显示器中，产生的光在通过LCD“三明治”的各个层传输时被调制。不幸的是，晶体管消耗的大表面积要求背光输出更大的光。此外，TFT显示器的每个晶体管都要耗电，因此有源矩阵显示器与无源显示器相比有些耗电。

TFT-LCD系统的组成

考虑到所涉及的所有不同组件，连接到TFT-LCD面板似乎很复杂。首先是面板本身，它包含一组像素，可以参照像素时钟频率，以高速逐行逐列进行频闪。

背光通常是冷阴极荧光灯。在CCFL中，被激发的气体分子发出明亮的光，同时产生很少的热量。这种低耗散，加上它们的耐用性，长寿命和直接的驱动要求，使它们成为LCD面板应用的理想选择。如上所述，led也是一种流行的背光方法，主要用于中小型面板。它们具有成本低、工作电压低、寿命长、强度控制好等优点。然而，在较大的面板上，与CCFL解决方案相比，LED背光会消耗大量功率。

LCD控制器包含将输入视频信号转换成适当格式以在LCD面板上显示所需的大部分电路。它通常包括一个定时发生器，它控制面板上单个像素的同步和像素时钟定时。此外，它还可以提供各种各样的额外功能，例如屏幕显示、图形叠加混合、颜色查找表、抖动和图像旋转。更复杂的芯片可能非常昂贵，通常超过了它们所连接的处理器的成本。一些媒体处理器，如Blackfin系列，有像LCD接口一样的端口，而不需要外部芯片。

一个LCD驱动芯片是必要的，以产生适当的电压水平到LCD面板。它充当LCD控制器输出和LCD面板之间的转换器。行和列通常是分开驱动的，时序由时序发生器控制。由于直流电流会对晶体结构造成压力并最终导致劣化，因此液晶必须以周期性极性反转的方式驱动。因此，根据实现的不同，应用于每个像素的电压极性在逐帧、逐行或逐像素的基础上变化。

连接TFT-LCD模块

随着多媒体设备趋向于更小、更便宜的趋势，驱动程序、控制器和LCD面板的组合已经成为一种趋势。今天，集成的TFT-LCD模块包括时序产生和驱动电路，因此只需要一个数据总线连接，时钟/同步线和电源。然而，为了满足较小的pda型LCD面板的面板厚度和成本要求，定时发生器通常不能集成到LCD模块中。在这种情况下，需要一个单独的外部定时ASIC来产生定时信号来驱动LCD面板的各个行和列。

然而，ADSP-BF561 Blackfin处理器可以通过其并行外设接口(PPI)直接连接到许多TFT-LCD模块。PPI是一个多功能并行接口，可以配置为8- 16位宽度。它支持双向数据流，包括三条同步线和一个时钟引脚，用于连接到外部提供的时钟。除了连接LCD面板外，PPI还可以无胶解码ITU-R BT.656数据，也可以连接ITU-R BT.601视频流。

由于ADSP-BF561提供了许多具有脉宽调制(PWM)能力的通用定时器，因此可以配置为模块提供适当的LCD定时，从而消除了对外部定时ASIC的需求。图1显示了Blackfin处理器和TFT-LCD模块之间基本连接的框图。还展示了ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板;它的许多便利提供了一种简单的方法来开始使用各种Blackfin应用程序，包括这里讨论的应用程序。

功率要求

TFT-LCD面板通常需要两个独立的电源。首先，面板本身有一条供电线路。虽然LCD面板的电压供应要求不同，但通常的值是3.3 V或5 V。其次，CCFL背光需要一个高压电源来激发气体分子发出荧光。该电压通常由TFT-LCD模块内单独电路板上的直流-交流逆变器产生。另一方面，LED背光不需要高压交流电源，通常可以直接从5v或12v直流电源供电。

时钟和同步

像素时钟周期定义像素采样率，因此速度取决于面板分辨率和刷新间隔。例如，具有60 hz刷新率的VGA面板(640 × 480活动像素)将需要250 MHz时钟，而QVGA面板(320 × 240活动像素)可以运行在5 MHz。

同步线控制每条线和视频帧被扫描并显示在LCD上的时间。扫描方式有两种:隔行扫描和逐行扫描。在隔行中，视频帧的奇数线首先被绘制到屏幕上，然后填充偶数线。在逐行扫描中，视频线按顺序连续显示。

许多较新的逐行扫描TFT-LCD面板使用同步线来控制每条线和帧的开始和结束位置。水平同步(HSYNC)表示每个新行的开始，而垂直同步(VSYNC)表示每个新帧的开始。它们确保生成对齐和可见的图像。HSYNC和VSYNC脉冲的极性和脉冲宽度的持续时间在面板之间是不同的。

ADSP-BF561通过可配置的PWM输出产生HSYNC和VSYNC信号，以实现最大的灵活性。这允许调整极性，脉冲宽度和周期指定的一个特定的TFT面板。

通常，LCD定时要求在水平同步信号的断言和实际显示的图像数据之间指定一个无效的数据周期。ADSP-BF561的PPI可以在接收到HSYNC信号后，通过允许输出数据延迟指定数量的时钟周期来处理这个定时。

数据行

虽然模块的数据接口很简单，但是在选择合适的RGB数据格式时需要考虑很多事情。三种最常见的配置为RGB使用每个通道8位(8-8-8格式)，每个通道6位(6-6-6格式)，或者R和b使用每个通道5位，G使用6位(5-6-5格式)。

8-8-8 RGB数据格式提供了最大的色彩清晰度。总共有24位的分辨率，超过1600万种色调可用。这种格式提供了高性能液晶电视所需的精度和分辨率。

6-6-6格式在便携式电子产品中很流行。18位分辨率提供了超过262,000种色调。然而，由于18引脚(6+6+6)数据总线不能很好地符合16位处理器的数据路径，一个流行的行业折衷方案是使用R和B各5位，G各6位(5+6+5 = 16)来匹配16位数据总线。这种场景效果很好，因为在这三种颜色中，绿色是视觉上最重要的颜色。红色和蓝色的最低有效位与面板上各自的最高有效位相连。这确保了每个颜色通道的完整动态范围(从完全饱和到全黑)。

系统算法流程

为了理解在媒体处理器上模拟LCD控制器所涉及的内容(为了取代外部设备)，让我们看一下在集成TFT-LCD模块上显示传入原始视频流所涉及的系统流程。考虑图2中的示例，其中NTSC摄像机的数字化输出提供了应用于ADSP-BF561处理器视频端口的图像流。我们将讨论图中所示的每个步骤。

De-interlacing

在隔行视频中，在例子中NTSC摄像机所使用的，奇数和偶数字段是分开的，因此在给定帧中的所有奇数行在任何偶数行之前被传输。对于本例，来自摄像机的视频流在进入视频端口后必须进行去隔行处理。根据所需的输出质量，可以通过几种方式之一完成此操作。最简单的方法是行加倍，它将每个奇数行复制到随后的偶数行上，有效地消除了偶数字段，从而支持奇数字段的移位版本。因为这会产生明显的工件，所以经常使用更多的处理密集型方法。其中包括线性插值、运动补偿和中值滤波。后一种方法将每个像素的强度值替换为其近邻的灰度中值，以帮助消除图像中的高频噪声。

扫描速率转换

一旦视频被去隔行化，扫描速率转换过程可能是必要的，以确保输入帧率匹配输出显示刷新率。为了使这两个字段相等，可能需要删除或重复字段。与去隔行一样，需要某种滤波来平滑由创建突然帧过渡引起的高频伪影。

色度重采样和颜色转换(YCrCb ->RGB)

有些相机以原始形式提供像素信息，就像图像传感器提供的那样。这可能意味着传感器中的每个像素对应一个红色、蓝色和绿色值，或者每个像素对应一个Y、Cr和Cb值。Y、Cr和Cb在数学上与RGB值相关，但与RGB数据相比，它们的相关性较低，因此可以实现更好的压缩比。然而，更常见的是，相机输出一个利用眼睛生理的压缩流，为绿色(在RGB情况下)或YCrCb空间的强度(Y)提供更大的权重。在图2的示例中，视频流以4:2:2 YCrCb格式进入PPI。“4:2:2”意味着在给定的视频线上，每两个色度(Cr和Cb)值对应四个亮度(Y)值。每个(Y,Cb)或(Y,Cr) 16位对表示一个像素值。

为了在LCD面板上显示，数据流最终需要转换为RGB空间。更准确地说，它需要转换成RGB空间，这是RGB空间的伽玛校正版本。伽马校正调整液晶面板的非线性特性，因为给定像素的亮度不是施加在该像素位置的电压的线性函数。不同的伽马值会改变图像中红、绿、蓝的比例，以及图像亮度。图3显示了用于在YCrCb空间和R' g ' b '坐标之间进行转换的示例方程集。

在进行R' g ' b '转换之前，必须对Cb和Cr通道进行重新采样，以实现4:4:4格式，其中Y、Cb和Cr各一个字节表示一个像素值，如图4所示。重新采样的一个明确的方法是通过简单的平均来从最近的邻居中插入缺失的色度值。对于某些应用程序可能需要高阶过滤，但这种简化的方法通常就足够了。实际上，由于每个离散步骤都涉及线性像素操作，因此色度重采样和色彩空间转换步骤都可以作为单个操作来执行。

扩展

视频缩放是下一个步骤，非常重要，因为它允许生成分辨率不同于输入格式的输出流。理想情况下，固定的缩放需求(输入数据分辨率，输出面板分辨率)是提前知道的，以便避免输入和输出流之间任意缩放的计算负载。作为一种更简单、更便宜的选择，处理后的图像可以裁剪，以适应更小的LCD面板的限制。

根据应用程序的不同，可以向上或向下进行扩展。理解要缩放的图像内容的性质(例如，文本和细线的存在)是很重要的。缩放不当会使文本无法阅读或导致缩放后的图像中的某些水平线消失。

最直接的缩放方法包括删除像素或复制现有像素。也就是说，当缩放到较低的分辨率时，每行上的一些像素(和/或每帧上的一些行)可以被丢弃。虽然这表示较低的处理负载，但结果将产生混叠和视觉伪影。

复杂度上的一个小步骤是使用线性插值来提高图像质量。例如，当缩放图像时，在水平或垂直方向上的插值提供了一个新的输出像素来替换插值过程中使用的像素。与之前的技术一样，信息仍然被丢弃，因此伪影和混叠将再次出现。

如果图像质量是最重要的，还有其他方法可以在不降低质量的情况下执行缩放。这些方法力求保持图像的高频内容与水平和垂直缩放一致，同时减少混叠的影响。例如，假设图像要按Y × X的系数进行缩放。为了完成这种缩放，图像可以通过一个因子Y进行上采样(插值)，过滤以消除混叠，然后通过一个因子X进行下采样(抽取)。在实践中，这两个采样过程可以结合在一个单一的多速率滤波器。

位提取/字节打包

如前所述，最好在每个输出LCD时钟周期上传输16位。这种5-6-5位的打包可以用源数据完成。Blackfin架构提供了两种有效的方法来创建所需的字节流。第一种方法是简单地将每种颜色(红、蓝、绿)的适当位移到目标寄存器中。第二种方法是利用EXTRACT/DEPOSIT指令对从特定位位置开始提取一定数量的位，并将结果存入目标寄存器。

应用说明EE-256提供了一个系统的详细描述，其中处理器安装在ADSP-BF561 EZ-KIT Lite评估板上，接收来自DVD播放器的流视频输入并连接到TFT-LCD模块。Blackfin生成所有必要的时序，并执行抽取、颜色转换、重采样和输出格式。详细描述了系统数据流和缓冲区管理，并提供了具有特定LCD模块的工作应用程序的示例代码供下载。

结论

由于其性能和受欢迎程度，Blackfin处理器家族的成员服务于越来越多的多媒体应用程序。它们在需要小型、低功耗、中等分辨率液晶显示(LCD)面板的系统设计中特别有用。对于许多此类应用，Blackfin处理器具有足够的性能来处理信号处理和控制功能，并且还可以直接与LCD显示器连接，从而大大降低了系统成本和复杂性。本文提出了如何利用ADSP-BF561 Blackfin处理器的部分备用计算能力及其并行外设接口来实现这样一个系统。