黃 健，范 暉，董三鋒，胡文斌

(西京學(xué)院 電子信息工程系，陜西 西安 710123)

3D電視背光掃描和3D紅外信號(hào)發(fā)射控制新方法

黃 健，范 暉，董三鋒，胡文斌

(西京學(xué)院 電子信息工程系，陜西 西安 710123)

目前已經(jīng)相當(dāng)普及的液晶(LCD)電視需要背光。當(dāng)前主要采用LED背光，在該背光控制中用一個(gè)MCU控制LED驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生背光。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D電視在市場(chǎng)占有率不斷提升，在3D電視中，也需要一個(gè)MCU來(lái)發(fā)射3D眼鏡同步信號(hào)?；诖耍岢鲆环N基于一顆高性能單片機(jī)MSP430G2553實(shí)現(xiàn)3D電視的背光掃描和3D眼鏡同步信號(hào)控制方法，3D眼鏡同步信號(hào)產(chǎn)生采用紅外發(fā)射來(lái)產(chǎn)生，該設(shè)計(jì)方案具有低功耗、成本低、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)。

LCD電視；LED背光；3D眼鏡；MSP430G2553

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[1]。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，低功能的MSP430G2553可以很方便實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 功能框圖

基于MSP430G2553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)框圖如圖1所示。MSP430G2553采用8 MHz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)[3]；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和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_A1實(shí)現(xiàn)紅外載波發(fā)射。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2 MSP430G2553引腳分配框圖

在本設(shè)計(jì)中，MSP430G2553的管腳分配如圖2所示。圖2中：P10～P15，P20～P21用作8路PWM輸出，控制LED背光；P22用作紅外發(fā)射控制管腳，控制3D紅外信號(hào)發(fā)射；P23用來(lái)接收3D信號(hào)的R/L信號(hào)；P24用來(lái)接收2D模式下的PWM輸入；P25用來(lái)接收主機(jī)的2D/3D模式切換；P16、P17用作I2C總線SDA和SCL，接收主機(jī)發(fā)送的命令和參數(shù)。

圖2 MSP430G2553引腳分配圖

1.3 整體方案圖

為了避免大多數(shù)LCD電視廠家采用2個(gè)MCU處理3D Scanning模式的背光掃描，用另一個(gè)MCU2控制3D眼睛的紅

外信號(hào)發(fā)射所帶來(lái)的不便和缺點(diǎn)。提出二合一方案，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3所示。本方案有如下優(yōu)勢(shì)： 由于只用一個(gè)MCU，所以便于管理和軟件開(kāi)發(fā)[4]；采用I2C通信，便于接口電路設(shè)計(jì)；只需要修改簡(jiǎn)單的參數(shù)，就可用于不同型號(hào)的電視，便于擴(kuò)展和移植。

圖3 整體方案圖

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 3D模式下的背光控制

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)置好的相位和延遲參數(shù)，分別輸出8路PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED驅(qū)動(dòng)器點(diǎn)亮背光。為了適應(yīng)各種屏的需要，8路PWM信號(hào)的相位和延遲可以由主機(jī)通過(guò)I2C總線設(shè)置。3D模式下的背光控制輸出和 R/L信號(hào)的波形圖見(jiàn)圖4。

圖4 3D模式下的背光PWM控制波形

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20 μs以?xún)?nèi)。由于中斷處理需要占用CPU一定的處理時(shí)間，所以不同通道的相位延時(shí)會(huì)受到影響，不同通道之間的相位值不能相差太小[5]。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，最小的相位差不能低于50 μs。

2.2 3D模式下的紅外信號(hào)發(fā)射

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20 kHz，50%的占空比。如圖5所示。

在設(shè)計(jì)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，具體波形如圖6所示。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2個(gè)R/L信號(hào)之后發(fā)送。

圖6 3D紅外同步信號(hào)波形

編碼各部分時(shí)長(zhǎng)及包含的方波脈沖數(shù)如表1所示。

表1 3D紅外信號(hào)編碼參數(shù)表

編碼時(shí)長(zhǎng)/ms脈沖數(shù)Phase編碼,T11.020Phase編碼,T20.5無(wú)Phase編碼,T30.510Phase編碼,T41.020Phase編碼,T50.5無(wú)Phase編碼,T60.510Phase編碼,T70.5無(wú)Phase編碼,T80.510延遲編碼,T91.020延遲編碼,T100.510延遲編碼,T111.020延遲編碼,T121.020延遲編碼,T130.510延遲編碼,T141.530

3 軟件編程

3.1 背光部分軟件實(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，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。

3.2 紅外發(fā)射軟件實(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，所以使用硬件Timer來(lái)產(chǎn)生20 kHz的紅外載波信號(hào)。設(shè)置Timer_A1工作在PWM模式，周期為50 μs，占空比為50%。在背光控制一節(jié)，已經(jīng)介紹了如何設(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，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。

3.3 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50 Hz和60 Hz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50 Hz，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，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50 Hz或60 Hz之后，才載入50 Hz或60 Hz的參數(shù)，并切換到3D工作模式[6]。

第二部分發(fā)生在3D工作模式，利用MCU的Timer_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50 Hz和60 Hz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)射功能和掃描背光掃描功能，在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)。

3.4 I2C總線接口

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)訪問(wèn)模式。

4 結(jié)論

由于采用了TI的高性能、低功耗單片機(jī)MSP430G2553，采用了二合一的設(shè)計(jì)方案，使得掃描和紅外發(fā)射能夠輕松實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了硬件成本和軟件開(kāi)發(fā)周期。對(duì)軟件編程做簡(jiǎn)單的調(diào)試，就可達(dá)到3D顯示效果。對(duì)于不同的液晶屏，只要做簡(jiǎn)單的配置和軟件修改，就可完成顯示。因此，該設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用性和推廣性。

[1] 王健,郝銀華.3D電視節(jié)目制作系統(tǒng)的設(shè)備選型與應(yīng)用探究[J].電視技術(shù)，2012,36(20)：77-81.

[2] Texas Instruments.MSP430G2553數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].上海：出版者不詳，2014.

[3] Texas Instruments.MSP430F2XX用戶(hù)手冊(cè)[M].上海：出版者不詳，2014.

[4] 吳冬燕,范科峰,卜樹(shù)坡,等.3D電視雙眼串?dāng)_測(cè)試方法[J].電視技術(shù)，2012，36(6)：87-89.

[5] 李靜，安康，葉志龍.帶虛擬LED功能的多屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2015，39(4)：37.

[6] 張興,鄭成武,李寧,等.液晶材料與顯示[J].液晶與顯示，2012，27(4)：48-455.

New Method of 3D TVS Backlight Scanning and Sending 3D Glasses Sync Signal

HUANG Jian, FAN Hui, DONG Sanfeng, HU Wenbin

(ElectronicInformationEngineeringDepartment,XijingUniversity,Xi’an710123,China)

Liquid Crystal Display (LCD) TVS have become common.LCD display require backlight. At present LED backlighting is mainly used. In the backlight control used an MCU to control LED drive in order to produce backlight. Along with technology development, 3D TVS in the market share rising, it needs a MCU to send 3D glasses sync signal. Based on above, a new method which uses one high perform single chip MSP430G2553 implemented 3D TVS backlight scan and sent 3D glasses sync signal is produced. It used infrared emission to generate 3D glasses sync signal. This design had low power，low cost，reliable performance advantages。

LCD TV； LED backlight；3D glass；MSP430G2553

西京學(xué)院教改項(xiàng)目“如何通過(guò)電子大賽培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力”

TN942

B

10.16280/j.videoe.2015.24.012

2015-05-18

【本文獻(xiàn)信息】黃健，范暉，董三鋒，等.3D電視背光掃描和3D紅外信號(hào)發(fā)射控制新方法[J].電視技術(shù),2015，39(24).

黃 健(1973— )，講師，碩士，主要研究方向是嵌入式和IC；

范 暉(1974— )，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檐浖惴ā?/p>

責(zé)任編輯：許 盈