3D电视背光扫描和3D红外信号发射控制新方法

黄 健，范 晖，董三锋，胡文斌

(西京学院 电子信息工程系，陕西 西安 710123)

3D电视背光扫描和3D红外信号发射控制新方法

黄 健，范 晖，董三锋，胡文斌

(西京学院 电子信息工程系，陕西 西安 710123)

目前已经相当普及的液晶(LCD)电视需要背光。当前主要采用LED背光，在该背光控制中用一个MCU控制LED驱动以产生背光。随着技术的发展，3D电视在市场占有率不断提升，在3D电视中，也需要一个MCU来发射3D眼镜同步信号。基于此，提出一种基于一颗高性能单片机MSP430G2553实现3D电视的背光扫描和3D眼镜同步信号控制方法，3D眼镜同步信号产生采用红外发射来产生，该设计方案具有低功耗、成本低、性能可靠的优点。

LCD电视；LED背光；3D眼镜；MSP430G2553

快门式的3D电视需要发射左、右眼的同步信号给眼镜，眼镜根据这个信号来控制左右眼的开关，从而实现3D显示[1]。同时，为了获得更好的3D效果，主机会按照左右眼的同步信号，调节显示器的背光，即3D Scanning背光扫描。通常应用中会用一个MCU来处理3D红外信号发射，用另一个MCU实现背光扫描。本文介绍了一种使用一个MCU实现3D红外信号发射和背光扫描的方法。采用TI公司的高性能，低功能的MSP430G2553可以很方便实现这两个功能[2]。

1 系统设计

1.1 功能框图

基于MSP430G2553设计TV背光、3D红外发射二合一功能控制器的系统框图如图1所示。MSP430G2553采用8 MHz的时钟源，配置USCI_A工作在从I2C模式，接收上位机发过来的参数数据[3]；MCU检测GPIO的上升、下降沿中断，并根据TV模式设置背光PWM输出；TIMER_A0的CCP1和CCP2用来分别实现3D模式下的8通道的PWM背光输出控制；TIMER_A1实现红外载波发射。

图1 系统设计框图

1.2 MSP430G2553引脚分配框图

在本设计中，MSP430G2553的管脚分配如图2所示。图2中：P10～P15，P20～P21用作8路PWM输出，控制LED背光；P22用作红外发射控制管脚，控制3D红外信号发射；P23用来接收3D信号的R/L信号；P24用来接收2D模式下的PWM输入；P25用来接收主机的2D/3D模式切换；P16、P17用作I2C总线SDA和SCL，接收主机发送的命令和参数。

图2 MSP430G2553引脚分配图

1.3 整体方案图

为了避免大多数LCD电视厂家采用2个MCU处理3D Scanning模式的背光扫描，用另一个MCU2控制3D眼睛的红

外信号发射所带来的不便和缺点。提出二合一方案，利用一个MCU处理3D电视的背光和3D眼睛的红外信号，系统框图如图3所示。本方案有如下优势： 由于只用一个MCU，所以便于管理和软件开发[4]；采用I2C通信，便于接口电路设计；只需要修改简单的参数，就可用于不同型号的电视，便于扩展和移植。

图3 整体方案图

2 设计原理

2.1 3D模式下的背光控制

在3D模式下，MCU接收从LCD显示屏发出的R/L信号，并根据设置好的相位和延迟参数，分别输出8路PWM控制信号驱动LED驱动器点亮背光。为了适应各种屏的需要，8路PWM信号的相位和延迟可以由主机通过I2C总线设置。3D模式下的背光控制输出和 R/L信号的波形图见图4。

图4 3D模式下的背光PWM控制波形

由于MCU采用GPIO的中断触发方式检测R/L信号，每个通道的处理是通过TIMER中断触发，所以在实际操作中会带来一定的延时误差。实际测试的误差在20 μs以内。由于中断处理需要占用CPU一定的处理时间，所以不同通道的相位延时会受到影响，不同通道之间的相位值不能相差太小[5]。根据实际测试，最小的相位差不能低于50 μs。

2.2 3D模式下的红外信号发射

在3D模式下，MCU根据图像帧的同步信号控制三级管驱动一个红外发射管，给3D眼镜发送红外信号。3D眼镜根据接收到的信号开关左右眼的快门，从而使左右眼分别看到不同的电视信号，实现3D效果。红外信号的频率为20 kHz，50%的占空比。如图5所示。

在设计中使用L/R(左、右眼)信号替代帧同步信号，MCU检测到该信号后，按照设置好的参数输出固定的红外R/L同步信号给眼镜。为了节约功耗，每3次R/L信号发射一次红外信号。为了避免累计的时间误差，MCU每检测到15个R/L信号需发送一次帧同步信号给眼镜，具体波形如图6所示。为了防止和3D R/L同步信号冲突，该信号在R/L同步信号的第2个R/L信号之后发送。

图6 3D红外同步信号波形

编码各部分时长及包含的方波脉冲数如表1所示。

表1 3D红外信号编码参数表

编码时长/ms脉冲数Phase编码,T11.020Phase编码,T20.5无Phase编码,T30.510Phase编码,T41.020Phase编码,T50.5无Phase编码,T60.510Phase编码,T70.5无Phase编码,T80.510延迟编码,T91.020延迟编码,T100.510延迟编码,T111.020延迟编码,T121.020延迟编码,T130.510延迟编码,T141.530

3 软件编程

3.1 背光部分软件实现

从波形上分析，8个通道的PWM信号的Phase各不相同，把在一个SYNC周期内的8路通道的PWM波形的上升沿和下降沿看成8个GPIO上升事件和8个下降事件，然后根据事件发生的先后时间排序。由于上升沿和下降沿有可能在同一时间发生，所以就用TIMER_A0的CPP1和CPP2分别处理上升沿事件和下降沿事件。

在3D模式时，设置Timer_A0工作在连续模式；P2.3管脚接收主机的R/L信号。在R/L信号的上升沿和下降沿触发GPIO中断，在中断处理函数中清零TIMER_A0计数器。然后，按照排好序的事件序列，设置第一个上升沿事件的时间点到TIMER_A0的CCP1和第一个下降沿事件的时间点到TIMER_A0的CCP2。最后，使能TIMER_A0的CCP1和CPP2中断。在TIMER_A0的CCP1和CCP2中断发生时，CPU根据上升沿和下降沿的事件设置对应的 GPIO电平，并更新CCP1或CCP2中的上升沿或下降沿事件的时间点。

这样就顺序实现了3D背光的Scanning扫描功能。

3.2 红外发射软件实现

由于红外信号载波频率的精度会影响到3D眼睛的接收距离和角度，所以使用硬件Timer来产生20 kHz的红外载波信号。设置Timer_A1工作在PWM模式，周期为50 μs，占空比为50%。在背光控制一节，已经介绍了如何设置Timer_A0，使其工作在连续计数器模式。在3D红外发射部分需要利用Timer_A0的CCP0功能。利用P2.3来检测R/L信号，分别在上升沿和下降沿产生同步信号的中断。在R/L信号的上升/下降沿中断中，按照表1的参数，设置Timer_A0的CCP0，并根据波形开启和关闭Timer_A1产生的PWM波形，从而实现红外编码。

由于在不同的R/L信号周期要求产生不同红外波形，定义一个计数器来计算R/L同步信号的周期数，该计数器范围从1到15。MCU在不同的计数值，产生对应的红外信号。

由于软件采用中断的方式检测R/L信号，采用Timer中断的方式处理红外编码，所以在计算编码周期时需要把中断处理的时间考虑进去，尽量避免由于中断处理带来的累计误差。

3.3 帧频率的判断

由于电视信号的制式不同，帧同步信号分为50 Hz和60 Hz两种。MCU需要判断帧同步信号的频率，并根据频率调用各自的背光参数。这个工作分为两个部分。

第一部分在TV信号从2D切换到3D的过程，在这个过程中由于R/L信号还未稳定，所以不能输出3D红外信号，同时8路PWM控制单元输出一个固定的50 Hz，占空比位30%的PWM信号驱动LED driver点亮背光。在此期间，利用Timer_A1的CCP功能，捕获R/L信号的脉宽，并判断其周期。等其稳定在50 Hz或60 Hz之后，才载入50 Hz或60 Hz的参数，并切换到3D工作模式[6]。

第二部分发生在3D工作模式，利用MCU的Timer_A1定期检测R/L信号，判断其周期是否有变化，如果发生有效的50 Hz和60 Hz的切换，MCU会重新载入当前的频率参数。为了不影响到正常的3D红外发射功能和扫描背光扫描功能，在R/L信号周期计数器计数到15时才判断一次R/L信号。

3.4 I2C总线接口

TV的主芯片通过I2C接口和MCU进行通信，并把相关的参数信息通过I2C总线传给 MCU。主芯片工作在I2C主模式，MCU工作在I2C从模式。I2C接口设计成符合I2C总线读写规范的标准工作模式，包含7位地址，8 bit数据访问模式。

4 结论

由于采用了TI的高性能、低功耗单片机MSP430G2553，采用了二合一的设计方案，使得扫描和红外发射能够轻松实现，节省了硬件成本和软件开发周期。对软件编程做简单的调试，就可达到3D显示效果。对于不同的液晶屏，只要做简单的配置和软件修改，就可完成显示。因此，该设计具有一定的实用性和推广性。

[1] 王健,郝银华.3D电视节目制作系统的设备选型与应用探究[J].电视技术，2012,36(20)：77-81.

[2] Texas Instruments.MSP430G2553数据手册[M].上海：出版者不详，2014.

[3] Texas Instruments.MSP430F2XX用户手册[M].上海：出版者不详，2014.

[4] 吴冬燕,范科峰,卜树坡,等.3D电视双眼串扰测试方法[J].电视技术，2012，36(6)：87-89.

[5] 李静，安康，叶志龙.带虚拟LED功能的多屏控制系统设计[J].电视技术，2015，39(4)：37.

[6] 张兴,郑成武,李宁,等.液晶材料与显示[J].液晶与显示，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

西京学院教改项目“如何通过电子大赛培养学生的创新实践能力”

TN942

B

10.16280/j.videoe.2015.24.012

2015-05-18

【本文献信息】黄健，范晖，董三锋，等.3D电视背光扫描和3D红外信号发射控制新方法[J].电视技术,2015，39(24).

黄 健(1973— )，讲师，硕士，主要研究方向是嵌入式和IC；

范 晖(1974— )，讲师，硕士，主要研究方向为软件算法。

责任编辑：许 盈