基于CTV100平台的DPTV系统的研究与实现
时间：2008-03-19 10:40:00
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[导读]本文从硬件和软件两方面详细阐述了基于CTV100平台的DPTV系统,并给出了总体设计框图和设计流程图。
<STRONG>摘要:本文从硬件和软件两方面详细阐述了基于CTV100平台的DPTV系统,并给出了总体设计框图和设计流程图。本项目采用意法半导体公司(ST)的CTV100解决方案,实现了对传统模拟电视信号的高效数字域处理,显著提高了电视画面的图像质量;并通过采用基于32bitCPU的OS20嵌入式操作系统,实现了多种传统模拟电视无法实现的功能。
关键词:数字处理电视;嵌入式操作系统;状态机;上变频
DPTV ,即数字处理电视,它是在模拟广播电视传输体制下,将接收到的模拟全电视信号进行模数转换,然后对数字信号进行存储、处理和传输,最后再经过D/ A 转换电路,重新转换为模拟信号并显示播出的彩色电视接收机。DPTV 与传统模拟电视的最大区别在于:它将接收到的模拟全电视信号首先经过电视机内部数字芯片的图像、伴音全数字处理后才输出显示。因此,其整体性能与传统的模拟电视相比有了大幅提高。本文介绍的系统为两片方案,硬件电路设计简单;软件系统采用分层设计及模块化设计的思想,层次分明,结构合理;项目采用了专门针对嵌入式系统图形界面开发的PEG工具,使得本系统开发的菜单和游戏具有较好的视觉效果，对于DPTV电视是一个很好的解决方案。
硬件平台的构建
总体设计框图及硬件平台
总体设计框图如图1所示。STV2310是用于处理标准模拟信号,并将其转换成数字信号输出的高品质视频处理前端芯片。它能够处理的信号包括NTSC/PAL/SECAM制式的CVBS电视信号,以及模拟的RGB和YCrCb信号。
图1 总体设计框图
STV3500是专用于100Hz TV解决方案的一款低成本、高集成度处理器芯片,可给予STV2310以有力支持。其内部包括行、场倍频器,可控制机内各外设的接口和一个32位ST20系列CPU内核,以及可显示文字与图片的内部OSD生成器,可以接收复合标准视频解码芯片(STV2310)传输的符合ITU2RBT.601/656标准的视频流。
显示处理模块由STV9211和STV9118两芯片共同组成。STV9211用于将STV3500输出的RGB信号进行预放大处理并提供对亮度、对比度、驱动电平及黑电平的调节功能。STV9118用于实现所有与行场偏转相关的功能。这些功能都通过设置相关寄存器的值实现。输入信号切换模块由CD4052芯片组成,它主要完成各种视频输入信号之间的切换。
系统工作流程
整个DPTV系统大致分为三个部分,即底板部分、数字板部分和显示部分。其中底板部分和显示部分是与传统模拟电视相同的,而系统的数字板部分是传统模拟电视所不具备的,是整个系统中最关键的部分。
经底板部分调谐器(tuner)模块对高频信号的调谐选择,电视信号被送入电视接收机。混频后,中频的电视信号被送入中频处理芯片进行处理,从中提取出的全电视信号和音频信号被分别送入各自的解码芯片中进行处理。全电视信号被传送到数字板上的STV2310中。A/D转换模块STV2310接收来自电视机底板的各种模拟电视信号,在将其转换为数字信号后,送入STV2310的亮色分离模块,由于STV2310采用的数字梳状滤波器性能远优于传统模拟电视的模拟亮色分离模块,亮、色信号间的串扰可获得最大限度的降低,使得图像的质量极大改善。之后,亮度、色度信号被分别处理后重新组合并按4∶2∶2YCrCb的格式输出。其输出将被送入中央处理器芯片STV3500。
在STV3500中,输入的视频数据流首先被转换成需要的显示格式。上变频技术是采取场频加倍(50Hz增加到100Hz)的方式改善传统模拟电视由于场频较低而引起的大面积闪烁,使图像更为稳定、流畅。此芯片可根据上变换的模式,产生出正确的视频显示序列。在经过芯片内各图像增强技术的处理后,电视菜单、光标和背景将被叠加到电视图像上,最后,此叠加信号将被送至连接于STV3500之后的视频显示模块。在视频显示模块中对图像的显示效果进行一些必要的处理后,图像将以RGB格式送入DPTV系统的显示部分显示。
软件系统的实现
软件架构
本项目软件系统采用层次化结构设计,整个系统可以划分为四个层次,即系统层、驱动层、服务层、以及应用层。采用这种结构,使得整个系统具有较高的灵活性,易于移植,便于理解和开发。
1)系统层。用来为其他三层提供操作系统功能接口。本系统采用了OS20实时多任务嵌入式操作系统,该操作系统提供了操作系统抽象层(OSAL),使其它各层能够完全独立于操作系统。
2)驱动层。直接与硬件打交道的一层,本层采用模块化的设计思想,不同的芯片或芯片功能被划分为不同的模块,每个驱动层模块为上层访问该芯片或芯片功能提供接口。
3)服务层。位于驱动层之上,该层整合驱动层模块功能,为其上层应用层提供接口。
4)应用层。是整个软件系统的核心部分,用户菜单就是在这一层生成的,同时,整个软件系统的管理也在这一层实现。
软件流程
程序流程图如图2所示。
图2 DPTV的软件流程图
在操作系统内核初始化完成之后,中断、句柄、信号量等系统必备要素也接着被初始化,这时整个操作系统就完全运行起来了。随后,系统会创建其主任务,其他所有分任务都是在这个主任务中被创建的。在完成各个驱动层模块、服务层模块的初始化之后,根据系统模块的划分,操作系统会创建多个分任务,以后针对不同模块的控制都由这些模块对应的任务进行。之后,主任务就进入无限循环等待外部消息的到来,负责管理OSD菜单的Peg任务也进入无限循环等待外部消息触发。其中运用了状态机这一机制来实现对大量不同消息的处理。当用户需要关闭电视时,操作系统首先将各个分任务删除,释放信号量、句柄等资源并结束主任务,此时,系统只运行操作系统最基本的功能以等待用户再一次激活整个系统。
状态机机制是整个软件系统的核心。当用户按下遥控器或机身前面板按键时,消息被送入循环等待消息的主状态机。主状态机分析处理消息,并通过驱动层模块对底层相应芯片进行操作以按用户要求改变电视机状态,同时通过ap_mmi_KeyStrike()函数向用户界面层中的Peg任务传递消息,请求菜单改变。Peg状态机接受处理来自主状态机的消息并按照要求改变用户界面,如果有需要,Peg状态机还可以通过回调函数ap_cmd_PegCallBack()向底层请求执行硬件操作。
系统性能分析
与传统模拟电视及其他DPTV相比,本系统采用了多项独有技术,使得电视画面的质量得到了显著改善。本系统的主要特点包括:
1)STV3500内嵌的32bit100MHzCPU.这样大大提高了系统的数据处理能力,为系统提供高质量的画面质量提供了保证。
2)独有的上变频算法。该算法提供了多种模式(AA*B*B、ABAB、Proscan场合并或内插模式)的上变换以适应不同的应用场合和输入信号类型。根据信号来源,CPU会自动选择优化的倍频模式处理数据。
3)特有的OSD生成器以及图像合成器。用于各图层的叠加,内嵌的2D加速引擎可加快图像的显示速度;支持256色显示,支持256级透明度设置,使系统的菜单和游戏色彩搭配更加丰富。
4)图像增强模块。在STV3500内部,通过各种数字域处理技术改善图像质量。这些技术主要包括:色度顺态增强,3D瞬时降噪,运动估计,对比度增强等。
关键词:数字处理电视;嵌入式操作系统;状态机;上变频
DPTV ,即数字处理电视,它是在模拟广播电视传输体制下,将接收到的模拟全电视信号进行模数转换,然后对数字信号进行存储、处理和传输,最后再经过D/ A 转换电路,重新转换为模拟信号并显示播出的彩色电视接收机。DPTV 与传统模拟电视的最大区别在于:它将接收到的模拟全电视信号首先经过电视机内部数字芯片的图像、伴音全数字处理后才输出显示。因此,其整体性能与传统的模拟电视相比有了大幅提高。本文介绍的系统为两片方案,硬件电路设计简单;软件系统采用分层设计及模块化设计的思想,层次分明,结构合理;项目采用了专门针对嵌入式系统图形界面开发的PEG工具,使得本系统开发的菜单和游戏具有较好的视觉效果，对于DPTV电视是一个很好的解决方案。
硬件平台的构建
总体设计框图及硬件平台
总体设计框图如图1所示。STV2310是用于处理标准模拟信号,并将其转换成数字信号输出的高品质视频处理前端芯片。它能够处理的信号包括NTSC/PAL/SECAM制式的CVBS电视信号,以及模拟的RGB和YCrCb信号。
图1 总体设计框图
STV3500是专用于100Hz TV解决方案的一款低成本、高集成度处理器芯片,可给予STV2310以有力支持。其内部包括行、场倍频器,可控制机内各外设的接口和一个32位ST20系列CPU内核,以及可显示文字与图片的内部OSD生成器,可以接收复合标准视频解码芯片(STV2310)传输的符合ITU2RBT.601/656标准的视频流。
显示处理模块由STV9211和STV9118两芯片共同组成。STV9211用于将STV3500输出的RGB信号进行预放大处理并提供对亮度、对比度、驱动电平及黑电平的调节功能。STV9118用于实现所有与行场偏转相关的功能。这些功能都通过设置相关寄存器的值实现。输入信号切换模块由CD4052芯片组成,它主要完成各种视频输入信号之间的切换。
系统工作流程
整个DPTV系统大致分为三个部分,即底板部分、数字板部分和显示部分。其中底板部分和显示部分是与传统模拟电视相同的,而系统的数字板部分是传统模拟电视所不具备的,是整个系统中最关键的部分。
经底板部分调谐器(tuner)模块对高频信号的调谐选择,电视信号被送入电视接收机。混频后,中频的电视信号被送入中频处理芯片进行处理,从中提取出的全电视信号和音频信号被分别送入各自的解码芯片中进行处理。全电视信号被传送到数字板上的STV2310中。A/D转换模块STV2310接收来自电视机底板的各种模拟电视信号,在将其转换为数字信号后,送入STV2310的亮色分离模块,由于STV2310采用的数字梳状滤波器性能远优于传统模拟电视的模拟亮色分离模块,亮、色信号间的串扰可获得最大限度的降低,使得图像的质量极大改善。之后,亮度、色度信号被分别处理后重新组合并按4∶2∶2YCrCb的格式输出。其输出将被送入中央处理器芯片STV3500。
在STV3500中,输入的视频数据流首先被转换成需要的显示格式。上变频技术是采取场频加倍(50Hz增加到100Hz)的方式改善传统模拟电视由于场频较低而引起的大面积闪烁,使图像更为稳定、流畅。此芯片可根据上变换的模式,产生出正确的视频显示序列。在经过芯片内各图像增强技术的处理后,电视菜单、光标和背景将被叠加到电视图像上,最后,此叠加信号将被送至连接于STV3500之后的视频显示模块。在视频显示模块中对图像的显示效果进行一些必要的处理后,图像将以RGB格式送入DPTV系统的显示部分显示。
软件系统的实现
软件架构
本项目软件系统采用层次化结构设计,整个系统可以划分为四个层次,即系统层、驱动层、服务层、以及应用层。采用这种结构,使得整个系统具有较高的灵活性,易于移植,便于理解和开发。
1)系统层。用来为其他三层提供操作系统功能接口。本系统采用了OS20实时多任务嵌入式操作系统,该操作系统提供了操作系统抽象层(OSAL),使其它各层能够完全独立于操作系统。
2)驱动层。直接与硬件打交道的一层,本层采用模块化的设计思想,不同的芯片或芯片功能被划分为不同的模块,每个驱动层模块为上层访问该芯片或芯片功能提供接口。
3)服务层。位于驱动层之上,该层整合驱动层模块功能,为其上层应用层提供接口。
4)应用层。是整个软件系统的核心部分,用户菜单就是在这一层生成的,同时,整个软件系统的管理也在这一层实现。
软件流程
程序流程图如图2所示。
图2 DPTV的软件流程图
在操作系统内核初始化完成之后,中断、句柄、信号量等系统必备要素也接着被初始化,这时整个操作系统就完全运行起来了。随后,系统会创建其主任务,其他所有分任务都是在这个主任务中被创建的。在完成各个驱动层模块、服务层模块的初始化之后,根据系统模块的划分,操作系统会创建多个分任务,以后针对不同模块的控制都由这些模块对应的任务进行。之后,主任务就进入无限循环等待外部消息的到来,负责管理OSD菜单的Peg任务也进入无限循环等待外部消息触发。其中运用了状态机这一机制来实现对大量不同消息的处理。当用户需要关闭电视时,操作系统首先将各个分任务删除,释放信号量、句柄等资源并结束主任务,此时,系统只运行操作系统最基本的功能以等待用户再一次激活整个系统。
状态机机制是整个软件系统的核心。当用户按下遥控器或机身前面板按键时,消息被送入循环等待消息的主状态机。主状态机分析处理消息,并通过驱动层模块对底层相应芯片进行操作以按用户要求改变电视机状态,同时通过ap_mmi_KeyStrike()函数向用户界面层中的Peg任务传递消息,请求菜单改变。Peg状态机接受处理来自主状态机的消息并按照要求改变用户界面,如果有需要,Peg状态机还可以通过回调函数ap_cmd_PegCallBack()向底层请求执行硬件操作。
系统性能分析
与传统模拟电视及其他DPTV相比,本系统采用了多项独有技术,使得电视画面的质量得到了显著改善。本系统的主要特点包括:
1)STV3500内嵌的32bit100MHzCPU.这样大大提高了系统的数据处理能力,为系统提供高质量的画面质量提供了保证。
2)独有的上变频算法。该算法提供了多种模式(AA*B*B、ABAB、Proscan场合并或内插模式)的上变换以适应不同的应用场合和输入信号类型。根据信号来源,CPU会自动选择优化的倍频模式处理数据。
3)特有的OSD生成器以及图像合成器。用于各图层的叠加,内嵌的2D加速引擎可加快图像的显示速度;支持256色显示,支持256级透明度设置,使系统的菜单和游戏色彩搭配更加丰富。
4)图像增强模块。在STV3500内部,通过各种数字域处理技术改善图像质量。这些技术主要包括:色度顺态增强,3D瞬时降噪,运动估计,对比度增强等。
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