3D電視背光掃描和3D紅外信號發(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)

3D電視背光掃描和3D紅外信號發(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MCU控制LED驅(qū)動以產(chǎn)生背光。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D電視在市場占有率不斷提升，在3D電視中，也需要一個MCU來發(fā)射3D眼鏡同步信號?；诖?，提出一種基于一顆高性能單片機(jī)MSP430G2553實現(xiàn)3D電視的背光掃描和3D眼鏡同步信號控制方法，3D眼鏡同步信號產(chǎn)生采用紅外發(fā)射來產(chǎn)生，該設(shè)計方案具有低功耗、成本低、性能可靠的優(yōu)點。

LCD電視；LED背光；3D眼鏡；MSP430G2553

快門式的3D電視需要發(fā)射左、右眼的同步信號給眼鏡，眼鏡根據(jù)這個信號來控制左右眼的開關(guān)，從而實現(xiàn)3D顯示[1]。同時，為了獲得更好的3D效果，主機(jī)會按照左右眼的同步信號，調(diào)節(jié)顯示器的背光，即3D Scanning背光掃描。通常應(yīng)用中會用一個MCU來處理3D紅外信號發(fā)射，用另一個MCU實現(xiàn)背光掃描。本文介紹了一種使用一個MCU實現(xiàn)3D紅外信號發(fā)射和背光掃描的方法。采用TI公司的高性能，低功能的MSP430G2553可以很方便實現(xiàn)這兩個功能[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 功能框圖

基于MSP430G2553設(shè)計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的時鐘源，配置USCI_A工作在從I2C模式，接收上位機(jī)發(fā)過來的參數(shù)數(shù)據(jù)[3]；MCU檢測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用來分別實現(xiàn)3D模式下的8通道的PWM背光輸出控制；TIMER_A1實現(xiàn)紅外載波發(fā)射。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.2 MSP430G2553引腳分配框圖

在本設(shè)計中，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紅外信號發(fā)射；P23用來接收3D信號的R/L信號；P24用來接收2D模式下的PWM輸入；P25用來接收主機(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MCU處理3D Scanning模式的背光掃描，用另一個MCU2控制3D眼睛的紅

外信號發(fā)射所帶來的不便和缺點。提出二合一方案，利用一個MCU處理3D電視的背光和3D眼睛的紅外信號，系統(tǒng)框圖如圖3所示。本方案有如下優(yōu)勢： 由于只用一個MCU，所以便于管理和軟件開發(fā)[4]；采用I2C通信，便于接口電路設(shè)計；只需要修改簡單的參數(shù)，就可用于不同型號的電視，便于擴(kuò)展和移植。

圖3 整體方案圖

2 設(shè)計原理

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，并根據(jù)設(shè)置好的相位和延遲參數(shù)，分別輸出8路PWM控制信號驅(qū)動LED驅(qū)動器點亮背光。為了適應(yīng)各種屏的需要，8路PWM信號的相位和延遲可以由主機(jī)通過I2C總線設(shè)置。3D模式下的背光控制輸出和 R/L信號的波形圖見圖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R/L信號，每個通道的處理是通過TIMER中斷觸發(fā)，所以在實際操作中會帶來一定的延時誤差。實際測試的誤差在20 μs以內(nèi)。由于中斷處理需要占用CPU一定的處理時間，所以不同通道的相位延時會受到影響，不同通道之間的相位值不能相差太小[5]。根據(jù)實際測試，最小的相位差不能低于50 μs。

2.2 3D模式下的紅外信號發(fā)射

在3D模式下，MCU根據(jù)圖像幀的同步信號控制三級管驅(qū)動一個紅外發(fā)射管，給3D眼鏡發(fā)送紅外信號。3D眼鏡根據(jù)接收到的信號開關(guān)左右眼的快門，從而使左右眼分別看到不同的電視信號，實現(xiàn)3D效果。紅外信號的頻率為20 kHz，50%的占空比。如圖5所示。

在設(shè)計中使用L/R(左、右眼)信號替代幀同步信號，MCU檢測到該信號后，按照設(shè)置好的參數(shù)輸出固定的紅外R/L同步信號給眼鏡。為了節(jié)約功耗，每3次R/L信號發(fā)射一次紅外信號。為了避免累計的時間誤差，MCU每檢測到15個R/L信號需發(fā)送一次幀同步信號給眼鏡，具體波形如圖6所示。為了防止和3D R/L同步信號沖突，該信號在R/L同步信號的第2個R/L信號之后發(fā)送。

圖6 3D紅外同步信號波形

編碼各部分時長及包含的方波脈沖數(shù)如表1所示。

表1 3D紅外信號編碼參數(shù)表

編碼時長/ms脈沖數(shù)Phase編碼,T11.020Phase編碼,T20.5無Phase編碼,T30.510Phase編碼,T41.020Phase編碼,T50.5無Phase編碼,T60.510Phase編碼,T70.5無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 背光部分軟件實現(xiàn)

從波形上分析，8個通道的PWM信號的Phase各不相同，把在一個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GPIO上升事件和8個下降事件，然后根據(jù)事件發(fā)生的先后時間排序。由于上升沿和下降沿有可能在同一時間發(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，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。在R/L信號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計數(shù)器。然后，按照排好序的事件序列，設(shè)置第一個上升沿事件的時間點到TIMER_A0的CCP1和第一個下降沿事件的時間點到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，CPU根據(jù)上升沿和下降沿的事件設(shè)置對應(yīng)的 GPIO電平，并更新CCP1或CCP2中的上升沿或下降沿事件的時間點。

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)射軟件實現(xiàn)

由于紅外信號載波頻率的精度會影響到3D眼睛的接收距離和角度，所以使用硬件Timer來產(chǎn)生20 kHz的紅外載波信號。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來檢測R/L信號，分別在上升沿和下降沿產(chǎn)生同步信號的中斷。在R/L信號的上升/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)波形開啟和關(guān)閉Timer_A1產(chǎn)生的PWM波形，從而實現(xiàn)紅外編碼。

由于在不同的R/L信號周期要求產(chǎn)生不同紅外波形，定義一個計數(shù)器來計算R/L同步信號的周期數(shù)，該計數(shù)器范圍從1到15。MCU在不同的計數(shù)值，產(chǎn)生對應(yīng)的紅外信號。

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

3.3 幀頻率的判斷

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

第一部分在TV信號從2D切換到3D的過程，在這個過程中由于R/L信號還未穩(wěn)定，所以不能輸出3D紅外信號，同時8路PWM控制單元輸出一個固定的50 Hz，占空比位30%的PWM信號驅(qū)動LED driver點亮背光。在此期間，利用Timer_A1的CCP功能，捕獲R/L信號的脈寬，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R/L信號，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信號周期計數(shù)器計數(shù)到15時才判斷一次R/L信號。

3.4 I2C總線接口

TV的主芯片通過I2C接口和MCU進(jìn)行通信，并把相關(guān)的參數(shù)信息通過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)計成符合I2C總線讀寫規(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)計方案，使得掃描和紅外發(fā)射能夠輕松實現(xiàn)，節(jié)省了硬件成本和軟件開發(fā)周期。對軟件編程做簡單的調(diào)試，就可達(dá)到3D顯示效果。對于不同的液晶屏，只要做簡單的配置和軟件修改，就可完成顯示。因此，該設(shè)計具有一定的實用性和推廣性。

[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[M].上海：出版者不詳，2014.

[3] Texas Instruments.MSP430F2XX用戶手冊[M].上海：出版者不詳，2014.

[4] 吳冬燕,范科峰,卜樹坡,等.3D電視雙眼串?dāng)_測試方法[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[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)院教改項目“如何通過電子大賽培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力”

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，主要研究方向為軟件算法。

責(zé)任編輯：許 盈