手持式電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)LCD和電視信號(hào)同時(shí)輸出的QuickLogic X/Y交換設(shè)計(jì)

手持設(shè)備正變得越來(lái)越先進(jìn)，比以往任何時(shí)候都能處理更多的多媒體應(yīng)用。過(guò)去的移動(dòng)應(yīng)用只能在高端便攜式個(gè)人電腦(PC)上運(yùn)行，而現(xiàn)在可以輕松地在個(gè)人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備或智能電話設(shè)備上運(yùn)行。很顯然，手持產(chǎn)品正在匯聚各種能力，使移動(dòng)電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)(DSC)、攝像機(jī)和音頻/視頻個(gè)人媒體播放器(PMP)之間的界限越來(lái)越模糊。隨著手持式設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，它們的能力和功能將變得更像PC或筆記本電腦。這些設(shè)備在許多情況下也可以運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的移動(dòng)版本，使用色彩更加豐富的大屏幕高分辨率顯示器、高速連接、大量非易失性存儲(chǔ)器和QWERTY鍵盤，從而有可能使需要攜帶便攜式PC的人數(shù)越來(lái)越少。這些手持式設(shè)備最新提供的一種功能是驅(qū)動(dòng)外置監(jiān)控顯示器、投影儀或電視機(jī)的能力。這種能力一般稱之為視頻圖形陣列(VGA)或電視輸出功能。預(yù)計(jì)到2010年所有智能電話中有40%以上將具有實(shí)際的電視輸出功能。

雖然增加一個(gè)諸如VGA或電視輸出的功能似乎就像增加適當(dāng)?shù)倪B接器那樣簡(jiǎn)單，但是這種增加引發(fā)了電源管理、設(shè)備互操作性和用戶交互方面的許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文將主要討論這些問(wèn)題，并且針對(duì)這些技術(shù)性系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)提出了基于QuickLogic可編程解決方案平臺(tái)的解決方案。

面臨的挑戰(zhàn)

在手持式設(shè)備中增加驅(qū)動(dòng)外置顯示器的能力需要面對(duì)以下一些系統(tǒng)性挑戰(zhàn)：

　　電源管理：全速(每秒60幀(fps)VGA或30 fps NTSC)視頻需要采用極耗功率的額外元件，例如用于幀緩沖的外部存儲(chǔ)設(shè)備、圖形處理器、視頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和NTSC(國(guó)家電視系統(tǒng)委員會(huì))/PAL(逐行倒相)編碼器等。這些額外的元件組合起來(lái)可能會(huì)嚴(yán)重侵蝕系統(tǒng)的功率預(yù)算，從而影響設(shè)備的總體能量消耗，也將縮短電池使用時(shí)間。當(dāng)增加這些元件時(shí)，必須對(duì)它們的功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓芾?，以便在工作時(shí)消耗最少的功率，而在不使用時(shí)消耗非常少甚至沒(méi)有功耗。

　　互操作性：增加外置顯示設(shè)備的驅(qū)動(dòng)功能和能力后，用戶就能將系統(tǒng)連接到任何地區(qū)、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(shù)全球通用標(biāo)準(zhǔn)的輸出視頻時(shí)序和分辨率就變得非常重要了。此外，手持設(shè)備內(nèi)部自帶顯示器的時(shí)序和分辨率可能無(wú)法滿足與之外部連接的顯示器要求。因此，VGA或電視輸出子系統(tǒng)必須具備諸如幀頻轉(zhuǎn)換和視頻縮放/裁剪等功能。而且對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，調(diào)整由這些功能提供的參數(shù)必須直觀和容易管理。

　　用戶交互：除了要求能夠方便地管理外置顯示子系統(tǒng)外，在使用外置顯示器時(shí)，用戶還必須能夠?yàn)樵O(shè)備提供觸覺(jué)型輸入。許多PDA或智能電話設(shè)備都有液晶顯示(LCD)觸摸屏，它是與用戶之間的主要接口，當(dāng)使用外部連接的顯示器時(shí)，它必須不斷接受用戶的輸入。如果接觸傳感器矩陣下面的相應(yīng)顯示器不能正常工作，就無(wú)法讓用戶使用LCD觸摸屏進(jìn)行輸入。這意味著外置顯示器和內(nèi)部自帶顯示器必須同時(shí)工作(即同時(shí)掃描)。雖然這樣似乎非常簡(jiǎn)單，但如果內(nèi)部和外置顯示器在長(zhǎng)寬比、視頻時(shí)序(幀頻)和分辨率方面不同的話，這可能是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

手持式設(shè)備實(shí)例

　　在下面具體的手持式設(shè)備實(shí)例中，設(shè)備自身采用的是“豎屏”模式的VGA(480×640)分辨率彩色有源矩陣LCD顯示器。由于它們與設(shè)備本身的形狀相匹配，而且類似于8?×11的紙張或人像風(fēng)格照片，因此豎屏顯示器(而不是橫屏顯示器)在手持式設(shè)備很常見(jiàn)。高級(jí)手持式設(shè)備可以根據(jù)用戶手持設(shè)備的方向?qū)D像旋轉(zhuǎn)90度，例如當(dāng)顯示相對(duì)于靜態(tài)圖像的視頻，或者用戶使用一個(gè)QWERTY鍵盤進(jìn)行輸入時(shí)。雖然圖像可以通過(guò)圖形處理器輕松旋轉(zhuǎn)90度，但是掃描方向相對(duì)自帶顯示設(shè)備是固定的。

　
圖1：VGA分辨率、掃描方向相反的3:4豎屏和4:3橫屏顯示器實(shí)例。
　
　　對(duì)一個(gè)如圖1所示的豎屏LCD顯示器來(lái)說(shuō)，在顯示器的短邊朝向頂部時(shí)，LCD的掃描方向是從左至右、從上至下。這是一個(gè)長(zhǎng)寬比為3:4的屏幕，與典型的4:3(640×480)VGA顯示器相比掃描方向差90度。因此如圖1所示，需要一個(gè)X/Y交換操作以便在兩個(gè)顯示設(shè)備上同時(shí)顯示相同的圖像。雖然兩種情況下兩個(gè)顯示器之間的幀頻(垂直同步)時(shí)序可能保持不變，但是行數(shù)和行頻(水平同步)時(shí)序是不同的。

　　至于顯示器的圖像，自帶顯示器是逐行寫入的，外置顯示器是同時(shí)逐列寫入的。由于必須要一個(gè)整幀的行才能組成一個(gè)圖像列，因此需要使用一個(gè)全幀緩沖器才能成功地執(zhí)行X/Y交換操作。

　　進(jìn)一步分析這個(gè)例子，如果自帶豎屏VGA LCD顯示器必須鎖定到60 Hz的幀頻，并且要與外部PAL(50 Hz幀頻)或NTSC(59.94 Hz幀頻)顯示器一起同時(shí)使用，那么兩個(gè)顯示器之間的幀頻(垂直同步)時(shí)序也可能不同。

　　自帶顯示器和外置顯示器幀頻的不同意味著X/Y交換圖像緩沖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(yīng)不同的像素時(shí)鐘速率，并能管理(動(dòng)態(tài)丟棄或重用)多個(gè)臨時(shí)幀緩沖器。
　　X/Y交換和幀頻轉(zhuǎn)換操作必須實(shí)時(shí)進(jìn)行，功耗要盡可能低，盡可能用最少的元件，并且占用盡可能少的PCB面積。所有這些技術(shù)要求必須滿足，同時(shí)要使材料清單(BOM)成本最低。

手持式設(shè)備實(shí)例：QuickLogic解決方案平臺(tái)

　　雖然上述問(wèn)題將帶來(lái)非常艱巨的數(shù)字設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但是采用嵌入式FIFO、并能與具有不同I/O電壓的多種外部高速器件相連的QuickLogic低功率解決方案平臺(tái)是非常理想的解決之道。圖2給出了X/Y解決方案的系統(tǒng)框圖。


圖2： X/Y交換顯示子系統(tǒng)解決方案。

　
　　這個(gè)解決方案選擇了8×8 mm 132焊球BGA封裝的QuickLogic PolarPro可編程解決方案平臺(tái)。幀緩沖器采用一個(gè)單路16倍速移動(dòng)(1.8 V)SDRAM器件實(shí)現(xiàn)。視頻編碼器功能采用一個(gè)Chrontel VGA/NTSC/PAL編碼器件實(shí)現(xiàn)。整個(gè)視頻子系統(tǒng)由一個(gè)圖形處理器驅(qū)動(dòng)，它以相同的數(shù)據(jù)和時(shí)序(480×640分辨率，60 Hz幀頻，逐行掃描，RGB565(16位)格式)同時(shí)驅(qū)動(dòng)QuickLogic器件和自帶豎屏LCD顯示器。

圖3顯示了QuickLogic X/Y交換設(shè)計(jì)的內(nèi)部模塊。　　


圖3： X/Y交換設(shè)計(jì)的模塊框圖。

　
　　QuickLogic PolarPro器件負(fù)責(zé)以下一些系統(tǒng)功能：

　　1. X/Y交換操作：這個(gè)功能可以按照所實(shí)現(xiàn)的尋址方案簡(jiǎn)單地通過(guò)寫入和讀取外部SDRAM存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)來(lái)的視頻被寫入PolarPro器件的輸入FIFO，并在輸入FIFO中將LCD像素時(shí)鐘頻率與SDRAM時(shí)鐘頻率分離開(kāi)。SDRAM時(shí)鐘頻率固定在輸入的100 MHz主時(shí)鐘導(dǎo)出的頻率上。數(shù)據(jù)從輸入FIFO讀取，并根據(jù)輸出圖像方向以單列逐行方式寫入SDRAM存儲(chǔ)器。然后再根據(jù)輸出圖像方向以單行逐列方式從SDRAM存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)將經(jīng)過(guò)輸出FIFO送出，并由輸出FIFO將SDRAM時(shí)鐘與電視輸出時(shí)鐘分離開(kāi)。輸出FIFO直接驅(qū)動(dòng)VGA/NTSC/PAL編碼器件。當(dāng)發(fā)生突發(fā)操作時(shí)，所有SDRAM訪問(wèn)都將被執(zhí)行，從而最大化總線效率。

　　2. 幀頻轉(zhuǎn)換：這個(gè)功能可管理SDRAM中的多個(gè)幀緩沖器，在60Hz輸入幀頻時(shí)，可以使輸出幀頻在VGA模式時(shí)為60Hz,NTSC時(shí)為59.94Hz，PAL時(shí)為50Hz。雖然VGA/NTSC/PAL編碼器芯片能夠?yàn)檫@三種輸出模式提供一種合適的像素時(shí)鐘頻率，但是它要求640×480逐行掃描橫屏數(shù)據(jù)以及垂直和水平同步時(shí)序兼容所選擇的輸出標(biāo)準(zhǔn)。因此在將輸出像素時(shí)鐘作為參考的條件下，PolarPro器件負(fù)責(zé)根據(jù)所選模式產(chǎn)生輸出VSYNC和HSYNC時(shí)序。在SDRAM中存儲(chǔ)和管理著多個(gè)幀緩沖器，因此可以從輸入圖像正確地構(gòu)成不同幀頻的輸出圖像。PolarPro器件可以根據(jù)輸入和輸出幀頻的時(shí)序差異自動(dòng)確定存儲(chǔ)在SDRAM中的幀是丟棄還是重用。此外，幀頻轉(zhuǎn)換是利用標(biāo)準(zhǔn)SDRAM器件和單條16位雙向數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)的。管理SDRAM幀緩沖器無(wú)需使用雙端口、雙總線或者“乒乓”器件方法。

　　3. 電源管理：PolarPro器件內(nèi)的設(shè)計(jì)可以有選擇地停止所有顯示子系統(tǒng)時(shí)鐘，并關(guān)閉相關(guān)的SDRAM器件以節(jié)省系統(tǒng)中的電池電量。PolarPro器件本身還具有甚低功耗(VLP)模式，在這個(gè)模式下可以命令器件進(jìn)入一種低功耗靜止?fàn)顟B(tài)，在工作電壓為1.8 V時(shí)電流可低至2.2μA。在這種模式下，所有內(nèi)部寄存器和FIFO位都處于保持狀態(tài)，器件可以用系統(tǒng)CPU的命令在250μs以內(nèi) “喚醒”。在工作模式下，PolarPro器件在1.8 V時(shí)消耗電流小于30 mA，并能執(zhí)行所有動(dòng)態(tài)操作。

　　4. 配置：系統(tǒng)中的主CPU依靠?jī)?nèi)部集成電路總線(I2C)與PolarPro FPGA進(jìn)行通信。通過(guò)這個(gè)接口，CPU能夠用正確的輸出時(shí)序和格式對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行配置，還可以配置電源管理特性。

　　5. 電壓轉(zhuǎn)換：PolarPro器件最多可提供4個(gè)I/O電壓域。輸入LCD接口、SDRAM接口和電視輸出接口都可以在不同的I/O電壓下工作。當(dāng)降低功耗是關(guān)鍵系統(tǒng)目標(biāo)時(shí)這一特性尤其重要——移動(dòng)(1.8 V)SDRAM可同時(shí)在該系統(tǒng)中使用，而圖形處理器和LCD編碼器件還可以工作在更高的I/O電壓(＞1.8 V)。

　　值得注意的是，雖然以上討論的設(shè)計(jì)可以利用這個(gè)具體的特殊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)對(duì)X/Y交換的挑戰(zhàn)，不過(guò)PolarPro平臺(tái)本身是可編程的。因此，修改設(shè)計(jì)以支持額外的電源管理功能、減少或增加支持的顯示分辨率或者增加設(shè)計(jì)所支持的色彩深度都很容易實(shí)現(xiàn)。

本文小結(jié)

　　對(duì)于帶有電視輸出功能的手持式設(shè)備來(lái)說(shuō)，如果內(nèi)部自帶豎屏顯示器準(zhǔn)備和外部連接顯示設(shè)備實(shí)現(xiàn)同步掃描，那么視頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須采用具有X/Y交換操作和幀頻轉(zhuǎn)換功能的器件。如上所述，為了正確地解決這個(gè)問(wèn)題，所選的器件必須消耗非常少的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功率，包含能夠跨時(shí)鐘域的嵌入式FIFO，并能靈活地連接具有各種I/O電壓的外部設(shè)備。 　

　　QuickLogic利用PolarPro可編程解決方案平臺(tái)解決了這個(gè)系統(tǒng)問(wèn)題，它消耗的系統(tǒng)功率非常少，可最大限度地減少材料成本和節(jié)省PCB面積。此外，這個(gè)設(shè)計(jì)目前已經(jīng)可用，并經(jīng)實(shí)際硬件所驗(yàn)證。在快速變化的手持式消費(fèi)類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)世界中，上市時(shí)間絕對(duì)關(guān)鍵。QuickLogic推出的用于同步顯示X/Y交換的可編程解決方案，以及用于連接解決方案的可編程CPU配套系列器件有助于設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)集成商向市場(chǎng)更快地推出具有ASIC那樣低功率特性的產(chǎn)品。

　作者：Judd E. Heape

產(chǎn)品應(yīng)用總監(jiān)

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