消费类应用

数字电视

数字机顶盒 (DSTB) 接收并解码来自卫星、电缆和/或地面信号源的电视广播信号。集成数字电视 (DTV) 具有内置数字调谐器、解调器和源解码器,因此,不需要接收数字广播信号的数字机顶盒。

传统的 DSTB 设计用于接收标准清晰 (SD) 运动图片专家组-2 (MPEG-2) 视频格式广播信号。但是,当今的很多 DSTB 均支持高清 (HD)格式。实际上,某些有线电视服务提供商、网络和本地地面电视台同时在传送 SD 和 HD 内容。随着时间的推移,在 SD 和 HD 中,MPEG-4 会替代 MPEG-2 格式。

MPEG-4 成为标准压缩标准后,实施可编程逻辑设备(例如,英特尔® FPGA)的系统能够无缝升级,不需要报废库存产品,也不需要购买新硬件。使用 FPGA,生产商能够设计解码 MPEG-2 视频格式的 STB,只需要简单的对 FPGA 在系统重新编程就能够以后更新同一 STB,支持 MPEG-4。

高端 DSTB 一般会提供个人视频录像机 (PVR) 以及具有蓝光功能的 HD DVD 录像机。DSTB 中的微控制器以及集成 DTV 能够完成这些系统中的多种功能,包括控制面板管理和随屏显示 (OSD) 等。

目前很多 DSTB 可以分类为空中免费 (FTA) 或者付费电视两种版本。付费电视的例子是设计用于 DirecTV 或者 Dish 网络(在美国)的 DSTB,这需要传统的方法对音频和视频解码。

DSTB 生产商通常设计的 PCB 同时用于低端和高端 DSTB 系统,需要灵活的解决方案来实现其各种设计。下图显示了 DSTB 一个典型的英特尔可编程逻辑设备 (PLD) 解决方案,并介绍了基于 FPGA 的解决方案的多种应用之一。

用于 DSTB 和 DTV 的英特尔 PLD 解决方案示例

注:

  1. AGC = 自动增益控制
  2. ADC = 模拟到数字转换器
  3. FEC = 前向误码纠错
  4. SC = 智能卡

DSTB 和 DTV 所使用的部分英特尔以及第三方知识产权 (IP) 的例子包括:

  • 以太网
  • 嵌入式解决方案
  • USB
  • 运动估算
  • 颜色空间转换
  • DCT 和 iDCT
  • I2C
  • IDE 控制器

适用于 DSTB 和 DTV 的低成本可编程逻辑解决方案

英特尔的低成本 Cyclone® III、MAX® II 和 MAX 3000A 设备为音频和视频处理提供了经济高效的可编程解决方案,使得这些设备非常适合数字视频应用。Cyclone® FPGA 系列以及 MAX® CPLD 还含有完善 ASSP 的系统功能,例如随屏显示 (OSD) 和时序显示等。

Cyclone® III FPGA 采用了 65 纳米低功耗 (LP) 工艺技术制造。Cyclone® III 系列包含八个设备,内含 5K 到 120K 个逻辑元件 (LE) 和多达 534 个用户 I/O 引脚。Cyclone® III FPGA 提供高达 4 Mb 嵌入式内存、288 个嵌入式 18x18 乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环 (PLL) 等,非常适合实现高端视频和图像处理功能。

英特尔 Nios® II 嵌入式处理器家族能够在 Cyclone® 系列设备中实施,以支持高性能、经济高效的处理解决方案。Cyclone® 系列及其解决方案以极低的价格为数字视频设计人员提供了无与伦比的功能。

英特尔的 MAX® CPLD 系列是业界最成功,也是应用最广泛的 CPLD 解决方案。MAX® 3000A 设备针对大批量低成本应用进行了优化。英特尔最新的 CPLD - MAX II 设备 - 设计用于低成本和低功耗应用。MAX® 3000A 和 MAX® II 设备的非易失和低成本特性使其非常适合地址解码、系统时序和系统缺陷修复等 DVD 播放机/录像机功能。

视频显示器

典型液晶电视接口结构图

平板显示器(LCD、等离子体显示屏、超薄等离子体显示屏以及硅片液晶显示屏)和视频投影仪接收、解码并显示来自各种源的数字视频流。随着平板电视价格的下降,它已经进入了千家万户。

LCD HDTV 的核心是其图像处理和时序控制模块。图像处理模块一般包括扫描速率转换器、帧速率转换器、颜色解码器、运动探测、缩放器和去隔行等功能。

HDTV LCD 显示器的颜色响应时间要比传统的显示器慢,这取决于颜色内容。当有更多的要求消除视觉假像时,这给图像处理算法开发带来了难题。灵活的 FPGA 设计具有明显的优势,支持您重新设计设备中的算法,而且不需要重新编程。

数据被处理之后,视频电路板通过 400 Mbps 的 LVDS 总线或者降摆幅差分信号 (RSDS) 总线连接 LCD 行和列驱动。

Altera® 及其合作伙伴提供的 IP 和开发套件

Altera® 为显示应用提供多种知识产权 (IP) 内核。IP 内核包括嵌入式处理器、视频和图像处理功能、标准接口,以及外设。您能够在多种 IP 内核中增加专用逻辑,迅速开发独特的解决方案。您可以直接从 Altera® 获得这些 IP 内核,也可以从第三方 IP 合作伙伴那里获得。所有 IP 内核都经过了全面测试,并针对 Altera® 产品进行了优化。Altera® 提供的部分视频显示相关 IP 包括:

Altera 及其合作伙伴还提供开发套件以便加速平板显示器设计过程。这些套件基于 Altera® FPGA,支持显示设计人员和 ASSP 供应商随着市场需求的发展在其产品中增加下一代图像增强特性,而不会受限于耗时的 ASIC 开发过程。

适用于显示和投影的低成本可编程逻辑解决方案

Altera 的低成本 Cyclone® III 和 MAX® II 设备为 A/V 处理提供了高性价比可编程逻辑解决方案,使得这些设备非常适合数字视频应用。Cyclone® 系列 FPGA 以及 MAX® 系列 CPLD 还含有完善 ASSP 的系统功能,例如 OSD 和时序显示等。

Cyclone® III FPGA 采用了 65-nm 低功耗工艺技术开发。Cyclone® III 系列包含八个设备,内含 5K 到 120K 个逻辑元件 (LE) 和多达 534 个用户 I/O 引脚。Cyclone® III FPGA 提供 4 Mb 嵌入式内存、288 个嵌入式 18x18 乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环 (PLL) 等,非常适合实现高端视频和图像处理功能。其它特性包括高速差分信号 I/O 功能,支持平板显示屏使用的 LVDS 和 RSDS 接口。

Altera 的 MAX 设备是业界最成功,也是应用最广泛的 CPLD 解决方案。Altera 最新的 CPLD - MAX II 设备 -设计用于低成本和低功耗应用。MAX® II 设备的非易失和低成本特性使其非常适合地址解码、系统时序和系统缺陷修复等显示功能。

Cyclone® FPGA 中的接口支持

 

DVD 播放机

蓝光播放器和录像机回放解压缩并记录压缩高质量数字视频和音频。高端蓝光播放机/录像机系统还含有高级音频和视频处理功能,记录数字电视信号。当蓝光播放机/录像机系统含有 CD-RW 驱动时,需要集成驱动电子 (IDE) 转换功能来连接视频总线。蓝光驱动的实际接口是 AT 附加数据包接口 (ATAPI)。ATAPI 提供控制 CD-ROM 或者蓝光播放机的其它命令,这样,您的计算机可以使用 IDE 接口和控制器来控制这类设备。蓝光播放机/录像机的微控制器完成多种系统功能,包括控制平面管理和后视频/音频处理。下图显示了使用英特尔® 设备的蓝光播放机/录像机系统的示例。

用于蓝光播放机/录像机系统的英特尔 PLD 解决方案的示例

适用于蓝光播放机/录像机系统的低成本可编程逻辑解决方案

英特尔的低成本 Cyclone® III 、MAX® II 和 MAX® 3000A 设备为音频和视频处理提供了经济高效的可编程逻辑解决方案,使得这些设备非常适合数字视频应用。Cyclone® 系列 FPGA 以及 MAX® 系列 CPLD 还含有完善 ASSP 的系统功能,例如随屏显示 (OSD) 和时序显示等。

Cyclone® III FPGA 采用了 65-nm 低功耗工艺技术开发。Cyclone® III 系列包含八个设备,内含 5K 到 120K 个逻辑元件 (LE) 和多达 534 个用户 I/O 引脚。Cyclone® III FPGA 提供高达 4 Mb 嵌入式内存、288 个嵌入式 18x18 乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环 (PLL) 等,非常适合实现高端视频和图像处理功能。Cyclone® III FPGA 及其解决方案以极低的价格为数字视频设计人员提供了无与伦比的功能。

英特尔的 MAX® 设备是业界最成功,也是应用最广泛的 CPLD 解决方案。MAX® 3000A 设备针对大批量低成本应用进行了优化。英特尔最新的 CPLD - MAX II 设备 - 设计用于低成本和低功耗应用。MAX® 3000A 和 MAX® II 设备的非易失和低成本特性使其非常适合地址解码、系统时序和系统缺陷修复等蓝光播放机/录像机功能。

便携式娱乐

便携式应用也称为移动设备,包括了很多类型的消费类手持式设备,例如,移动手机、智能电话、移动互联网设备、便携式多媒体播放器、电子玩具/游戏机、便携式导航仪,以及数字相机/摄像机等。虽然 2008 年底经济低迷,但是业界分析师仍然预测市场对移动设备和消费类电子的需求会不断增长。移动设备最大的增长领域是移动互联网设备、智能手机,以及便携式导航。

为了应对这一市场发展趋势,英特尔针对低功耗、低成本手持式设备推出了 MAX® IIZ CPLD。与其它市场不同,便携式应用需要低功耗(延长电池使用时间)、低成本(一般为 2 美元以下)、小封装(例如,5 x 5 mm,或者更小)硅片解决方案。为满足便携式设备的市场需求而进行设计,英特尔® MAX® IIZ 设备待机模式下的功耗几乎为零,大批量的成本不到 2 美元,而且封装非常小(最小设备的封装不到 5 x 5 mm),使其成为市场上最吸引人的 CPLD 解决方案。

由于其低功耗、低成本和小封装特性,您可以把 MAX® IIZ 设备用作 ASSP 或者 ASIC 的辅助设备,帮助管理系统处理器功耗或者系统启动排序。其它典型应用包括 I/O 扩展、电压电平转换、电容触摸屏传感器、触摸屏解码器、键盘解码器、彩色 LED 驱动、中断处理,以及数据处理等。只有 MAX® IIZ 设备的某些特性支持用户在其内部用户闪存(高达8 KB)中编写安全代码。下图显示了便携式应用中 MAX® IIZ CPLD 的典型使用。

便携式应用中 MAX® IIZ CPLD 的典型使用

系统功耗管理

下图显示了 MAX® IIZ CPLD 管理便携式设备系统功耗的一个示例。在这个例子中,MAX® IIZ 设备以最小的待机电流 (29uA),用了 60 微秒快速启动系统,降低了系统功耗。具有很宽的 I/O 电压范围(1.5V、1.8V、2.5V、3.3V),它还可以用作三电压电平转换器。其小封装特性支持系统高度集成,可编程功能帮助您对设计进行最后一刻更改。您可以在 MAX® II 和 MAX® IIZ CPLD 设计示例网页上找到在便携式应用中使用 MAX® IIZ 设备的更多示例。

采用 MAX® IIZ 设备进行系统功耗管理

触摸屏显示

图像 LCD 触摸屏在很多便携式应用中越来越流行,在更现代、更先进的人机接口 (HMI) 中逐渐替代了机械式按键。触摸技术的更多最近实施利用“多点触控”,您可以在其中使用两根手指操纵对象,就如在 Apple 的 iPhone 上一样。

与 ASSP、MCU 或者其它竞争技术不同,MAX® IIZ CPLD 的 I/O 数量较多,使用方便,功耗低,而且封装小,能够灵活的满足便携式设备的单点触摸和多点触摸显示需求。下图显示了多点触摸设计的两芯片解决方案:Analog Devices AD7142 集成了电容至数字转换器和 MAX® IIZ EPM240Z CPLD,以扩展 AD7142 的功能来处理两维 ITO 玻璃或者薄膜。

采用 MAX® IIZ 设备的 LCD 触摸屏显示

智能手机和移动互联网设备

除了 MAX® IIZ 设备之外,英特尔还提供 MAX® II 和 MAX® IIG CPLD,以及低成本 Cyclone® FPGA 家族,包括 Cyclone® III FPGA。与非易失 CPLD 不同,FPGA 具有内置 RAM,使其能够完成数字信号处理 (DSP) 功能,例如信号处理、图像增强,也可以用作系统的 CPU。

下图显示了在智能手机和移动互联网设备中使用 FPGA 的一个示例。

智能手机和移动互联网设备中的 FPGA 机会

便携式多媒体播放机

在一个典型的便携式多媒体播放机系统(请参见下图)中,中心功能模块是图像处理控制器。图像处理控制器所需要的基本功能一般可以在数字信号处理或者 ASIC/ASSP 中实现,而通常会采用辅助 PLD 来增强功能,帮助开发人员突出其产品优势。当需要增加这些基本平台不支持的高级功能时,CPLD 大量的引脚和可编程特性使其成为数据格式接口桥接或者 IO 扩展的理想设备。

CPLD 传统上还被用于实现电路板级电源管理、电压电平转换,以及 DSP 配置等功能。对于便携式系统,CPLD 会关掉系统中未使用的 IC,从而延长了系统电池使用时间。

最后,CPLD 的非易失特性为开发人员实现安全功能提供了方法,保护内容、用户相关的信息,以及知识产权 (IP)。

CPLD 在便携式多媒体播放机中的应用

寓教于乐的玩具

便携式寓教于乐玩具是教育并娱乐孩子的一种教育玩具。由于现在的父母需要的玩具不仅娱乐孩子而且还能教育孩子,因此,对这类玩具的需求越来越大。

在一个典型的便携式寓教于乐的玩具系统(请参见下图)中,中心功能模块是信号调节控制器。信号调理控制器根据外部传感器输入确定电机位置,处理图像,将图像装入显示屏,完成音频合成等音频处理功能,还管理外部音频源。由于这三种功能是最终产品系统规范所特有的,因此,CPLD 实现同时具有很多优点,包括非常灵活的设计、低风险,以及产品迅速面市等。

与便携式多媒体播放机应用类似,CPLD 也非常适合接口桥接、I/O 扩展、电源管理、电压电平转换、数字信号处理 (DSP) 配置和时钟脉冲振荡功能。

在寓教于乐的玩具中使用 PLD

触摸屏

触摸技术已经从一个触摸点发展到 2D 触摸区域。最常用的 2D 触摸应用是 PC 导航触摸板和 LCD 触摸屏。MAX® IIZ CPLD 非常适合应用于触摸板和触摸屏解决方案,以及将电容触摸开关集成到产品中。

单点和两点触摸解决方案

单点触摸解决方案已经应用很多年了。单点解决方案传统上采用电阻或者电容 4 线铱锡氧化物 (ITO) 叠加屏。这些触摸屏解决方案受限于一次解码一个点,不能正确的解释两点或者多点触摸。此外,解决方案是模拟的,需要复杂的模拟电子电路才能正确的解码。MAX® IIZ 设备提供了所有的数字替代方案,使用了数字电阻 ITO 触摸屏。

Altera® 数字触摸参考设计对所有一点和两点触摸模式进行解码,并且能够解码许多 3 点、4 点和 5 点模式。数字触摸屏控制器参考设计将 30 引脚触摸屏输出转换为业界标准串行接口输出。MAX® IIZ 设备支持对设计进行简单修改,以适应专用串行或者并行接口。MAX® IIZ 数字触摸屏开发板(2009 年第一季度提供)包括了一个 MAX® IIZ 控制器卡、5.7 英寸数字智能触摸屏,以及 4 英寸数字触摸板。

多点触摸解决方案

多点触摸屏或者触摸板进一步发挥了用户接口的灵活性。Altera 多点触摸参考设计能够解释的同时触摸点数量不受限制。参考设计采用了一块 14-cm x 16-cm 电容触摸板或者电容触摸屏。2D 多点参考设计基于 MAX IIZ EPM240Z CPLD 和模拟设备公司的AD7142集成电容数字转换器 (CDC)。

检测 ITO 传感器电路板电容变化的 AD7142 只有 14 个电容传感器通道。在我们的参考设计中,MAX® IIZ CPLD 扩展了 AD7142 设备的功能,可以处理二维 ITO 玻璃或者薄膜屏(请参见下面的多点触摸结构图)。应用处理器使用 I2C(请参见下面的触摸点结构图)来访问 AD7142 设备的 CDC 寄存器文件,以及设置 MAX® IIZ CPLD 将 SRC 信号驱动至相应的轴。

参考设计使用 SPI 或 I2C 来访问 AD7142 设备的 CDC 寄存器文件,以及设置 MAX® IIZ CPLD 以选择主动扫描触摸传感器的哪一列。当触摸屏在长时间暂停,第一次检测到触摸后,MAX® IIZ CPLD 也会产生一个中断信号。MAX® IIZ CPLD 增强了 AD7142 的功能,可以检测 1x14 个电容触摸点阵列直至 16x14 个检测点阵列。

多点触摸结构图

触摸点

Altera® FPGA 参考设计支持关断或者休眠模式。应用处理器通过降低采样率来实现第一级休眠。应用处理器还可以采样部分垂直和水平走线,使用精确的 AD7142 设备来解释激活走线之间的触摸。当应用处理器关断时,大大降低了功耗,MAX® IIZ CPLD 实现了功效非常高的电容探测系统,检测屏幕什么时候被触摸。当 CPLD 探测到触摸时,它会使用中断信号来唤醒处理器。唤醒后,系统能够正确的读取触摸位置。

消费电子解决方案参考链接

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