手持式电子设备中实现LCD和电视信号同时输出的QuickLogic X/Y交换设计

手持设备正变得越来越先进，比以往任何时候都能处理更多的多媒体应用。过去的移动应用只能在高端便携式个人电脑(PC)上运行，而现在可以轻松地在个人数字助理(PDA)设备或智能电话设备上运行。很显然，手持产品正在汇聚各种能力，使移动电话、PDA、数码相机(DSC)、摄像机和音频/视频个人媒体播放器(PMP)之间的界限越来越模糊。随着手持式设备越来越复杂，它们的能力和功能将变得更像PC或笔记本电脑。这些设备在许多情况下也可以运行Windows操作系统的移动版本，使用色彩更加丰富的大屏幕高分辨率显示器、高速连接、大量非易失性存储器和QWERTY键盘，从而有可能使需要携带便携式PC的人数越来越少。这些手持式设备最新提供的一种功能是驱动外置监控显示器、投影仪或电视机的能力。这种能力一般称之为视频图形阵列(VGA)或电视输出功能。预计到2010年所有智能电话中有40%以上将具有实际的电视输出功能。

虽然增加一个诸如VGA或电视输出的功能似乎就像增加适当的连接器那样简单，但是这种增加引发了电源管理、设备互操作性和用户交互方面的许多系统设计挑战。本文将主要讨论这些问题，并且针对这些技术性系统设计挑战提出了基于QuickLogic可编程解决方案平台的解决方案。

面临的挑战

在手持式设备中增加驱动外置显示器的能力需要面对以下一些系统性挑战：

　　电源管理：全速(每秒60帧(fps)VGA或30 fps NTSC)视频需要采用极耗功率的额外元件，例如用于帧缓冲的外部存储设备、图形处理器、视频数模转换器(DAC)和NTSC(国家电视系统委员会)/PAL(逐行倒相)编码器等。这些额外的元件组合起来可能会严重侵蚀系统的功率预算，从而影响设备的总体能量消耗，也将缩短电池使用时间。当增加这些元件时，必须对它们的功率进行适当的管理，以便在工作时消耗最少的功率，而在不使用时消耗非常少甚至没有功耗。

　　互操作性：增加外置显示设备的驱动功能和能力后，用户就能将系统连接到任何地区、任何年代甚至任何品牌的显示器。因此，能够灵活地匹配大多数全球通用标准的输出视频时序和分辨率就变得非常重要了。此外，手持设备内部自带显示器的时序和分辨率可能无法满足与之外部连接的显示器要求。因此，VGA或电视输出子系统必须具备诸如帧频转换和视频缩放/裁剪等功能。而且对用户来说，调整由这些功能提供的参数必须直观和容易管理。

　　用户交互：除了要求能够方便地管理外置显示子系统外，在使用外置显示器时，用户还必须能够为设备提供触觉型输入。许多PDA或智能电话设备都有液晶显示(LCD)触摸屏，它是与用户之间的主要接口，当使用外部连接的显示器时，它必须不断接受用户的输入。如果接触传感器矩阵下面的相应显示器不能正常工作，就无法让用户使用LCD触摸屏进行输入。这意味着外置显示器和内部自带显示器必须同时工作(即同时扫描)。虽然这样似乎非常简单，但如果内部和外置显示器在长宽比、视频时序(帧频)和分辨率方面不同的话，这可能是一个极大的挑战。

手持式设备实例

　　在下面具体的手持式设备实例中，设备自身采用的是“竖屏”模式的VGA(480×640)分辨率彩色有源矩阵LCD显示器。由于它们与设备本身的形状相匹配，而且类似于8?×11的纸张或人像风格照片，因此竖屏显示器(而不是横屏显示器)在手持式设备很常见。高级手持式设备可以根据用户手持设备的方向将图像旋转90度，例如当显示相对于静态图像的视频，或者用户使用一个QWERTY键盘进行输入时。虽然图像可以通过图形处理器轻松旋转90度，但是扫描方向相对自带显示设备是固定的。

　
图1：VGA分辨率、扫描方向相反的3:4竖屏和4:3横屏显示器实例。
　
　　对一个如图1所示的竖屏LCD显示器来说，在显示器的短边朝向顶部时，LCD的扫描方向是从左至右、从上至下。这是一个长宽比为3:4的屏幕，与典型的4:3(640×480)VGA显示器相比扫描方向差90度。因此如图1所示，需要一个X/Y交换操作以便在两个显示设备上同时显示相同的图像。虽然两种情况下两个显示器之间的帧频(垂直同步)时序可能保持不变，但是行数和行频(水平同步)时序是不同的。

　　至于显示器的图像，自带显示器是逐行写入的，外置显示器是同时逐列写入的。由于必须要一个整帧的行才能组成一个图像列，因此需要使用一个全帧缓冲器才能成功地执行X/Y交换操作。

　　进一步分析这个例子，如果自带竖屏VGA LCD显示器必须锁定到60 Hz的帧频，并且要与外部PAL(50 Hz帧频)或NTSC(59.94 Hz帧频)显示器一起同时使用，那么两个显示器之间的帧频(垂直同步)时序也可能不同。

　　自带显示器和外置显示器帧频的不同意味着X/Y交换图像缓冲器也必须能够处理不同的写入与读取速率，因此必须能够适应不同的像素时钟速率，并能管理(动态丢弃或重用)多个临时帧缓冲器。
　　X/Y交换和帧频转换操作必须实时进行，功耗要尽可能低，尽可能用最少的元件，并且占用尽可能少的PCB面积。所有这些技术要求必须满足，同时要使材料清单(BOM)成本最低。

手持式设备实例：QuickLogic解决方案平台

　　虽然上述问题将带来非常艰巨的数字设计挑战，但是采用嵌入式FIFO、并能与具有不同I/O电压的多种外部高速器件相连的QuickLogic低功率解决方案平台是非常理想的解决之道。图2给出了X/Y解决方案的系统框图。

图2： X/Y交换显示子系统解决方案。

　
　　这个解决方案选择了8×8 mm 132焊球BGA封装的QuickLogic PolarPro可编程解决方案平台。帧缓冲器采用一个单路16倍速移动(1.8 V)SDRAM器件实现。视频编码器功能采用一个Chrontel VGA/NTSC/PAL编码器件实现。整个视频子系统由一个图形处理器驱动，它以相同的数据和时序(480×640分辨率，60 Hz帧频，逐行扫描，RGB565(16位)格式)同时驱动QuickLogic器件和自带竖屏LCD显示器。

图3显示了QuickLogic X/Y交换设计的内部模块。　　


图3： X/Y交换设计的模块框图。

　
　　QuickLogic PolarPro器件负责以下一些系统功能：

　　1. X/Y交换操作：这个功能可以按照所实现的寻址方案简单地通过写入和读取外部SDRAM存储器来实现。进来的视频被写入PolarPro器件的输入FIFO，并在输入FIFO中将LCD像素时钟频率与SDRAM时钟频率分离开。SDRAM时钟频率固定在输入的100 MHz主时钟导出的频率上。数据从输入FIFO读取，并根据输出图像方向以单列逐行方式写入SDRAM存储器。然后再根据输出图像方向以单行逐列方式从SDRAM存储器中读取数据。这个数据将经过输出FIFO送出，并由输出FIFO将SDRAM时钟与电视输出时钟分离开。输出FIFO直接驱动VGA/NTSC/PAL编码器件。当发生突发操作时，所有SDRAM访问都将被执行，从而最大化总线效率。

　　2. 帧频转换：这个功能可管理SDRAM中的多个帧缓冲器，在60Hz输入帧频时，可以使输出帧频在VGA模式时为60Hz,NTSC时为59.94Hz，PAL时为50Hz。虽然VGA/NTSC/PAL编码器芯片能够为这三种输出模式提供一种合适的像素时钟频率，但是它要求640×480逐行扫描横屏数据以及垂直和水平同步时序兼容所选择的输出标准。因此在将输出像素时钟作为参考的条件下，PolarPro器件负责根据所选模式产生输出VSYNC和HSYNC时序。在SDRAM中存储和管理着多个帧缓冲器，因此可以从输入图像正确地构成不同帧频的输出图像。PolarPro器件可以根据输入和输出帧频的时序差异自动确定存储在SDRAM中的帧是丢弃还是重用。此外，帧频转换是利用标准SDRAM器件和单条16位双向数据总线实现的。管理SDRAM帧缓冲器无需使用双端口、双总线或者“乒乓”器件方法。

　　3. 电源管理：PolarPro器件内的设计可以有选择地停止所有显示子系统时钟，并关闭相关的SDRAM器件以节省系统中的电池电量。PolarPro器件本身还具有甚低功耗(VLP)模式，在这个模式下可以命令器件进入一种低功耗静止状态，在工作电压为1.8 V时电流可低至2.2μA。在这种模式下，所有内部寄存器和FIFO位都处于保持状态，器件可以用系统CPU的命令在250μs以内 “唤醒”。在工作模式下，PolarPro器件在1.8 V时消耗电流小于30 mA，并能执行所有动态操作。

　　4. 配置：系统中的主CPU依靠内部集成电路总线(I2C)与PolarPro FPGA进行通信。通过这个接口，CPU能够用正确的输出时序和格式对设计进行配置，还可以配置电源管理特性。

　　5. 电压转换：PolarPro器件最多可提供4个I/O电压域。输入LCD接口、SDRAM接口和电视输出接口都可以在不同的I/O电压下工作。当降低功耗是关键系统目标时这一特性尤其重要——移动(1.8 V)SDRAM可同时在该系统中使用，而图形处理器和LCD编码器件还可以工作在更高的I/O电压(＞1.8 V)。

　　值得注意的是，虽然以上讨论的设计可以利用这个具体的特殊设计实现方法应对X/Y交换的挑战，不过PolarPro平台本身是可编程的。因此，修改设计以支持额外的电源管理功能、减少或增加支持的显示分辨率或者增加设计所支持的色彩深度都很容易实现。

本文小结

　　对于带有电视输出功能的手持式设备来说，如果内部自带竖屏显示器准备和外部连接显示设备实现同步扫描，那么视频子系统设计必须采用具有X/Y交换操作和帧频转换功能的器件。如上所述，为了正确地解决这个问题，所选的器件必须消耗非常少的静态和动态功率，包含能够跨时钟域的嵌入式FIFO，并能灵活地连接具有各种I/O电压的外部设备。 　

　　QuickLogic利用PolarPro可编程解决方案平台解决了这个系统问题，它消耗的系统功率非常少，可最大限度地减少材料成本和节省PCB面积。此外，这个设计目前已经可用，并经实际硬件所验证。在快速变化的手持式消费类电子产品设计世界中，上市时间绝对关键。QuickLogic推出的用于同步显示X/Y交换的可编程解决方案，以及用于连接解决方案的可编程CPU配套系列器件有助于设计人员和系统集成商向市场更快地推出具有ASIC那样低功率特性的产品。

　作者：Judd E. Heape

产品应用总监

QuickLogic公司