基于MSP430G2303的TV背光3D紅外信號(hào)發(fā)射的方案

本文介紹了一種基于 MSP430G2303 單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 3D TV 的背光掃描和 3D 紅外信號(hào)發(fā)射的解決方案。該方案采用一顆高性?xún)r(jià)比的 MCU 實(shí)現(xiàn)了 3D TV 背光掃描和紅外發(fā)射功能，具有成本低，性能可靠的特點(diǎn)。

1. 簡(jiǎn)介

快門(mén)式的 3D 電視需要發(fā)射左、右眼的同步信號(hào)給眼鏡，眼鏡根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)控制左右眼的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn) 3D 顯示。同時(shí)，為了獲得更好的 3D 效果，主機(jī)會(huì)按照左右眼的同步信號(hào)，調(diào)節(jié)顯示器的背光，即 3D Scanning 背光掃描。

通常應(yīng)用中會(huì)用一個(gè) MCU 來(lái)處理 3D 紅外信號(hào)發(fā)射，用另一個(gè) MCU 實(shí)現(xiàn)背光掃描。本文介紹了一種使用一個(gè) MCU 實(shí)現(xiàn) 3D 紅外信號(hào)發(fā)射和背光掃描的方法。采用 TI 公司的高性能，低成本的 MSP430G 系列 MCU 可以很方便實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。

2. 原理框圖

2.1 功能框圖

基于 MSP430G2303 MCU 設(shè)計(jì) TV 背光、3D 紅外發(fā)射二合一功能控制器的系統(tǒng)框圖如下:

? 配置內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)工作在 8MHz 最高主頻，為 MCLK，ACLK 分別提供 8MHz 的時(shí)鐘源；

? 配置 USCI_A 工作在從 I2C 模式，接收上位機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的參數(shù)數(shù)據(jù)；
? MCU 檢測(cè) GPIO 的上升、下降沿中斷，并根據(jù) TV 模式設(shè)置背光 PWM輸出；
? TIMER_A0 的 CCP1，CCP2 用來(lái)分別實(shí)現(xiàn) 3D 模式下的 8 通道的 PWM 背光輸出控制；
? TIMER_A0 的 CCP0 實(shí)現(xiàn)紅外編碼處理；
? TIMER_A1 實(shí)現(xiàn) 20kHz 的紅外載波頻率輸出。

2.2 引腳分配框圖

在本應(yīng)用中，MSP430G2303 的管腳分配如下圖所示。

其中：
- P1.0-P1.5, P2.0-P2.1 用作 8 路 PWM 輸出，控制 LED 背光；
- P2.2 用作紅外發(fā)射控制管腳，控制 3D 紅外信號(hào)發(fā)射；
- P2.3 用來(lái)接收 3D 信號(hào)的 R/L 信號(hào)；
- P2.4 用來(lái)接收 2D 模式下的 PWM 輸入；
- P2.5 用來(lái)接收主機(jī)的 2D/3D 模式切換；
- P1.6、P1.7 用作 I2C 總線(xiàn) SDA 和 SCL，接收主機(jī)發(fā)送的命令和參數(shù)。

2.3 原理圖

設(shè)計(jì)原理圖如下圖所示：

2.4 系統(tǒng)框圖及優(yōu)勢(shì)

目前，大多數(shù)的 LCD 電視廠(chǎng)家采用主板+電源板的系統(tǒng)架構(gòu)。主板負(fù)責(zé)處理電視信號(hào)，電源板負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)電源以及 LCD 背光驅(qū)動(dòng)。

支持 3D 模式的電視機(jī)上，電源板上采用一個(gè) MCU1 來(lái)處理 3D Scanning 模式的背光掃描，在主板上使用一個(gè) MCU2 控制 3D 眼睛的紅外信號(hào)發(fā)射。如圖4 所示。這種架構(gòu)的方案有如下幾個(gè)缺點(diǎn):

1. 由于不同的 LCD 顯示屏對(duì)背光掃描的參數(shù)不一樣，所以位于電源板上的MCU1 要根據(jù)不同的 LCD 顯示屏配置不同的參數(shù)， 生產(chǎn)和管理很不方便；

   
   2. 不同的電視尺寸背光的通道數(shù)是不一樣的，同一個(gè) MCU 的軟件很難支持各種規(guī)格的電視；

   
   3. 背光 MCU 的 SYNC 信號(hào)和主芯片發(fā)送給主板上的 MCU 的 L/R 信號(hào)存在一定相差，容易造成 3D 眼睛和背光不同步。

TI 的二合一方案，利用一個(gè) MCU 處理 3D 電視的背光和 3D 眼睛的紅外信號(hào)，系統(tǒng)框圖如圖 5 所示。本方案的優(yōu)勢(shì)如下:

1. 該方案采用一個(gè) MCU，只需要一套軟件；便于軟件開(kāi)發(fā)和管理；
2. 在主芯片和 MCU 之間增加了 I2C 接口進(jìn)行通信，所有的參數(shù)都可以通過(guò)該接口傳給 MCU；
3. 使用同一套軟件不同的屏參和 LED 背光通道數(shù)的控制，方便生產(chǎn)和物料管理。

3. 設(shè)計(jì)原理

3.1 2D 模式下的背光控制

在 2D 模式下，MCU 控制 8-CH 的背光輸出跟隨 PWMIN 的信號(hào)。本應(yīng)用中，采用 P2.4 引腳作為 2D 模式下的 PWM_IN 的輸入引腳，P2.4 被設(shè)計(jì)成上升/下降沿觸發(fā)中斷，在中斷處理函數(shù)中，CPU 根據(jù) PWM_IN 的信號(hào)設(shè)置 8 個(gè)通道的 PWM 輸出電平。背光輸出波形如下圖所示：

由于采用的管腳中斷觸發(fā) PWM 輸出，所以 PWM 的輸出精度受到中斷處理的影響，會(huì)帶來(lái) 10~20uS 的延時(shí)誤差。

3.2 3D 模式下的背光控制

3.2.1 需求分析

在 3D 模式下，MCU 接收從 LCD 顯示屏發(fā)出的 R/L 信號(hào)，并根據(jù)設(shè)置好的Phase 和 Duty 參數(shù)，分別輸出 8 路 PWM 控制信號(hào)驅(qū)動(dòng) LED Driver 點(diǎn)亮背光。為了適應(yīng)各種屏的需要，8 路 PWM 信號(hào)的 Phase 和 Duty 可以由主機(jī)通過(guò) I2C總線(xiàn)設(shè)置。具體的命令參見(jiàn)本文的“4. 命令字”章節(jié)。

3D 模式下的背光控制輸出和 R/L 信號(hào)的波形圖，如下圖所示：

由于 MCU 采用 GPIO 的中斷觸發(fā)方式檢測(cè) R/L 信號(hào)，每個(gè)通道的處理是通過(guò) TIMER 中斷觸發(fā)，所以在實(shí)際操作中會(huì)帶來(lái)一定的延時(shí)誤差。實(shí)際測(cè)試的誤差在 20uS 以?xún)?nèi)。

由于中斷處理需要占用 CPU 一定的處理時(shí)間，所以不同通道的 Phase 延時(shí)會(huì)受到影響，不同的通道之間的 Phase 值不能相差太小。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，最小的相位差不能低于 50us。

3.2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

從波形上分析，8 個(gè)通道的 PWM 信號(hào)的 Phase 各不相同，我們把在一個(gè)SYNC 周期內(nèi)的 8 路通道的 PWM 波形的上升沿和下降沿看成 8 個(gè) GPIO 上升事件和 8 個(gè)下降事件，然后根據(jù)事件發(fā)生的先后時(shí)間排序。由于上升沿和下降沿有可能在同一時(shí)間發(fā)生，所以我們就用 TIMER_A0 的 CPP1 和 CPP2 分別處理上升沿事件和下降沿事件。

在 3D 模式時(shí)，設(shè)置 Timer_A0 工作在連續(xù)模式； P2.3 管腳接收主機(jī)的 R/L信號(hào)。在 R/L 信號(hào)的上升沿和下降沿觸發(fā) GPIO 中斷，在中斷處理函數(shù)中清零TIMER_A0 計(jì)數(shù)器。然后，按照排好序的事件序列，設(shè)置第一個(gè)上升沿事件的時(shí)間點(diǎn)到 TIMER_A0 的 CCP1 和第一個(gè)下降沿事件的時(shí)間點(diǎn)到 TIMER_A0 的CCP2。最后，使能 TIMER_A0 的 CCP1 和 CPP2 中斷。

在 TIMER_A0 的 CCP1 和 CCP2 中斷發(fā)生時(shí)，CPU 根據(jù)上升沿和下降沿的事件設(shè)置對(duì)應(yīng)的 GPIO 電平，并更新 CCP1 或 CCP2 中的上升沿或下降沿事件的時(shí)間點(diǎn)。

這樣就順序?qū)崿F(xiàn)了 3D 背光的 Scanning 掃描功能。

3.3 3D 模式下的紅外信號(hào)發(fā)射

3.3.1 需求分析

在 3D 模式下，MCU 根據(jù)圖像幀的同步信號(hào)控制三級(jí)管驅(qū)動(dòng)一個(gè)紅外發(fā)射管，給 3D 眼鏡發(fā)送紅外信號(hào)。3D 眼鏡根據(jù)接收到的信號(hào)開(kāi)關(guān)左右眼的快門(mén)，從而使左右眼分別看到不同的電視信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 3D 效果。

紅外信號(hào)的頻率為 20kHz，50%的占空比。如下圖所示：

在本應(yīng)用中使用 L/R (左、右眼) 信號(hào)替代幀同步信號(hào)，MCU 檢測(cè)到該信號(hào)后，按照設(shè)置好的參數(shù)輸出固定的紅外 R/L 同步信號(hào)給眼鏡。為了節(jié)約功耗，每 3 次 R/L 信號(hào)發(fā)射一次紅外信號(hào)。

為了避免累計(jì)的時(shí)間誤差，MCU 每檢測(cè)到 15 個(gè) R/L 信號(hào)需發(fā)送一次幀同步信號(hào)給眼鏡，具體波形如下。為了防止和 3D R/L 同步信號(hào)沖突，該信號(hào)在R/L 同步信號(hào)的第二個(gè) R/L 信號(hào)之后發(fā)送。

編碼各部分時(shí)長(zhǎng)及包含的方波脈沖數(shù)見(jiàn)表一。

3.3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

由于紅外信號(hào)載波頻率的精度會(huì)影響到 3D 眼睛的接收距離和角度，所以我們使用硬件 Timer 來(lái)產(chǎn)生 20kHz 的紅外載波信號(hào)。我們?cè)O(shè)置 Timer_A1 工作在 PWM 模式，周期為 50us，占空比為 50%。

在背光控制一節(jié)，已經(jīng)介紹了使用如何設(shè)置 Timer_A0，使其工作在連續(xù)計(jì)數(shù)器模式。在 3D 紅外發(fā)射部分需要利用 Timer_A0 的 CCP0 功能。

利用 P2.3 來(lái)檢測(cè) R/L 信號(hào)，分別在上升沿和下降沿產(chǎn)生同步信號(hào)的中斷。

在 R/L 信號(hào)的上升/下降沿中斷中，按照表 1 的參數(shù)，設(shè)置 Timer_A0 的CCP0，并根據(jù)波形開(kāi)啟和關(guān)閉 Timer_A1 產(chǎn)生的 PWM 波形，從而實(shí)現(xiàn)紅外編碼。

由于在不同的 R/L 信號(hào)周期要求產(chǎn)生不同紅外波形，我們定義一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算 R/L 同步信號(hào)的周期數(shù)，該計(jì)數(shù)器范圍從 1 到 15。MCU 在不同的計(jì)數(shù)值，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的紅外信號(hào)。

由于軟件采用中斷的方式檢測(cè) R/L 信號(hào)，采用 Timer 中斷的方式處理紅外編碼，所以在計(jì)算編碼周期時(shí)需要把中斷處理的時(shí)間考慮進(jìn)去，盡量避免由于中斷處理帶來(lái)的累計(jì)誤差。

3.4 幀頻率的判斷

由于電視信號(hào)的制式不同，幀同步信號(hào)分為 50HZ 和 60HZ 兩種。MCU 需要判斷幀同步信號(hào)的頻率，并根據(jù)頻率調(diào)用各自的背光參數(shù)。這個(gè)工作分為兩個(gè)部分。

第一部分在 TV 信號(hào)從 2D 切換到 3D 的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中由于 R/L 信號(hào)還未穩(wěn)定，所以不能輸出 3D 紅外信號(hào)，同時(shí) 8 路 PWM 控制單元輸出一個(gè)固定的 50HZ，占空比位 30%的 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng) LED driver 點(diǎn)亮背光。在此期間，我們利用 Timer_A1 的 CCP 功能，捕獲 R/L 信號(hào)的脈寬，并判斷其周期。等其穩(wěn)定在 50HZ 或 60HZ 之后，才載入 50HZ 或 60HZ 的參數(shù)，并切換到 3D 工作模式。

第二部分發(fā)生在 3D 工作模式，我們利用 MCU 的 T imer_A1 定期檢測(cè) R/L信號(hào)，判斷其周期是否有變化，如果發(fā)生有效的 50HZ 和 60HZ 的切換，MCU會(huì)重新載入當(dāng)前的頻率參數(shù)。為了不影響到正常的 3D 紅外發(fā)射功能和Scanning 背光掃描功能，我們?cè)?R/L 信號(hào)周期計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到 15 時(shí)才判斷一次R/L 信號(hào)。

4． 通信功能

4.1 I2C 總線(xiàn)接口

TV 的主芯片通過(guò) I2C 接口和 MCU 進(jìn)行通信，并把相關(guān)的參數(shù)信息通過(guò)I2C 總線(xiàn)傳給 MCU。主芯片工作在 I2C 主模式，MCU 工作在 I2C 從模式。

I2C 接口設(shè)計(jì)成符合 I2C 總線(xiàn)讀寫(xiě)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)工作模式，包含 7 位地址，8-BIT 數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)模式。

4.2 I2C 數(shù)據(jù)幀格式描述

主芯片通過(guò)數(shù)據(jù)幀和 MCU 通信，一幀數(shù)據(jù)以 START 信號(hào)為起始，以STOP 信號(hào)為結(jié)束，I2C 的數(shù)據(jù)幀格式如下表所示：

具體的幀格式描述如下:
? I2C 地址+W/R - 主機(jī)通過(guò) 7 位地址訪(fǎng)問(wèn)從機(jī)，訪(fǎng)問(wèn)地址為 0xC4
? 命令字 - 從機(jī)通過(guò)解析命令字，更改參數(shù)數(shù)據(jù)
? 數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度 - 根據(jù)不同的命令字，有不同的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度
? 數(shù)據(jù)域 - 命令字匹配的數(shù)據(jù)參數(shù)，詳細(xì)見(jiàn)命令字說(shuō)明
? 校驗(yàn)碼 - 從命令字到數(shù)據(jù)域的所有字節(jié)和，取最低的 8 位
? 結(jié)束符 - 幀結(jié)束符：0x9B64

4.3 命令字

MCU 接收到完整的 I2C 幀數(shù)據(jù)后，解析出命令字并根據(jù)命令字設(shè)置新的參數(shù)。

其中命令字包括如下定義：

5. Firmware 設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，IDE 采用 IAR5.4 版本。

5.1 主函數(shù)流程

在主函數(shù)中，主要完成系統(tǒng)的初始化工作，并從 INFO Flash 中載入 TV 背光和 3D 紅外發(fā)射需要的參數(shù)到 RAM 中。然后進(jìn)入循環(huán)查詢(xún)模式，等待主機(jī)I2C 命令操作。

主函數(shù)的流程圖如下所示：

5.2 I2C 幀數(shù)據(jù)判斷流程

MCU 接收到一幀 I2C 數(shù)據(jù)之后，首先判幀數(shù)據(jù)是否合法，判斷的流程圖如下圖所示：

5.3 命令字解析處理

當(dāng)檢測(cè)到合法的 I2C 數(shù)據(jù)幀之后，MCU 提取出數(shù)據(jù)幀中的命令字，并根據(jù)命令字跳轉(zhuǎn)到命令字處理函數(shù)。

在本應(yīng)用中，把命令處理函數(shù)定義成一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，當(dāng)接收到命令字后，根據(jù)命令字的來(lái)調(diào)用數(shù)組中的不同函數(shù)。詳細(xì)代碼如下：

// 定義 I2C 命令字
#define CMD_3D_STA 0x36
#define CMD_3D_IR CMD_3D_STA + 1
#define CMD_3D_BLP1 CMD_3D_IR + 1
#define CMD_3D_BLP2 CMD_3D_BLP1 +1
// 定義命令字處理函數(shù)指針
typedef unsigned char (*pFun)(unsigned char*);
const pFun g_CmdFun[4] = {Set3DSta, Set3DIRPar, Set3DPhase,Set3DDuty};
/*******************************************************************
** Function Name : CmdSer **
** Description : **
** Arguments : **
** Out Put : **
** Author : Triton.Zhang@ti.com **

** Date : **
*******************************************************************/
unsigned char CmdSer(unsigned char Cmd)
{
unsigned char sta = 0;
if ((Cmd>= CMD_3D_STA) && (Cmd <= CMD_3D_BLP2))
sta = (*g_CmdFun[Cmd - CMD_3D_STA])(&g_I2CRxBuff[2]);
else
return 1;
return sta;
}

更詳細(xì)的關(guān)于各個(gè) I2C 命令的處理參見(jiàn)附件中的軟件包。

5.3 2D 模式的背光處理

TV 在 2D 模式下時(shí)，背光跟隨輸入的 PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)輸出，其處理函數(shù)如下：
if (P2IFG & PIN_PWMIN)
{
if (P2IN & PIN_PWMIN)
{
PWM_OUT_HIGH();
P2IES |= PIN_PWMIN; // 設(shè)置下降沿觸發(fā)中斷
}
else
{
PWM_OUT_LOW();
P2IES &= ~PIN_PWMIN; // 設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷
}
}

其它軟件功能如 3D 模式下的背光處理和紅外發(fā)射控制比較復(fù)雜，不在本文中詳細(xì)列舉。若對(duì)本文所述的方案和內(nèi)容感興趣，請(qǐng)聯(lián)系德州儀器半導(dǎo)體獲得進(jìn)一步支持。

6. 參考文獻(xiàn)

1. MSP430G2303 數(shù)據(jù)手冊(cè)
   2. MSP430F2XX 用戶(hù)手冊(cè)