深入解析ICS2008B：SMPTE時(shí)間碼接收器/發(fā)生器芯片

在多媒體設(shè)備的設(shè)計(jì)中，時(shí)間碼的精確處理至關(guān)重要。Renesas的ICS2008B作為一款SMPTE時(shí)間碼接收器/發(fā)生器芯片，為多媒體音視頻事件的時(shí)間協(xié)調(diào)提供了強(qiáng)大支持。下面將詳細(xì)介紹這款芯片的特點(diǎn)、功能及應(yīng)用。

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芯片概述

ICS2008B是采用低功耗CMOS工藝設(shè)計(jì)的VLSI設(shè)備，旨在為多媒體視聽事件提供時(shí)間協(xié)調(diào)。它不僅適用于PC多媒體環(huán)境，還能輕松集成到需要SMPTE時(shí)間碼生成和/或接收的產(chǎn)品中，支持LTC（縱向時(shí)間碼）、VITC（垂直間隔時(shí)間碼）格式以及MTC（MIDI時(shí)間碼）轉(zhuǎn)換。該芯片可從復(fù)合視頻、S - Video或音頻軌道讀取VITC和LTC格式的SMPTE時(shí)間碼，輸出格式為L(zhǎng)TC和VITC，且所有輸出可同時(shí)進(jìn)行。此外，還提供UART用于支持MTC或磁帶傳輸控制，其處理器接口與IBM PC和ISA總線兼容計(jì)算機(jī)兼容，也易于與其他處理器和微控制器連接。

芯片特性

1. 符合標(biāo)準(zhǔn)：滿足SMPTE VITC規(guī)范、SMPTE和EBU LTC規(guī)范。
2. 時(shí)間碼燒錄窗口：位置、大小和字符屬性可編程。
3. LTC邊緣速率控制：符合EBU (T{r}) 和 (T{f}) 規(guī)范。
4. 同步源：支持內(nèi)部和外部同步源，可與視頻或房屋同步輸入進(jìn)行鎖相，在VCR暫停和穿梭模式下改善視頻定時(shí)鎖定，還可從振蕩器輸入內(nèi)部生成定時(shí)，支持外部點(diǎn)擊輸入和內(nèi)部定時(shí)器。
5. 時(shí)間碼發(fā)生器：支持實(shí)時(shí)SMPTE速率（30 Hz、29.97 Hz、25 Hz、24 Hz），具備降幀和彩色幀模式，VITC可插入10 - 40行中的兩行（SMPTE規(guī)定為10 - 20行），支持Jam Sync、自由運(yùn)行、錯(cuò)誤旁路/校正和加一幀功能。
6. 接收器：LTC接收器可在 (1 / 30^{th}) 標(biāo)稱到80X標(biāo)稱播放速度下同步比特率；VITC接收器可從任何或所有選定的掃描線讀取代碼，具備搜索模式，可搜索VBI線直到找到VITC。
7. UART：新的UART頻率為38.4 K，用于磁帶傳輸控制。

功能模塊詳解

硬件環(huán)境

ICS2008B作為處理器（如PC或單芯片微處理器）的外設(shè)運(yùn)行，通過雙緩沖處理傳入和傳出的時(shí)間碼，滿足實(shí)時(shí)要求。

LTC輸入與輸出

• 輸入：LTCIN是差分模擬輸入，通過電容耦合到LTC源，經(jīng)比較器處理后進(jìn)入LTC接收器，可接收正向或反向的LTC，速率范圍為 (1 / 30^{th}) 到80X標(biāo)稱幀率。接收到有效LTC SYNC模式后，將數(shù)據(jù)采樣并加載到接收緩沖區(qū)，接收完整幀后產(chǎn)生中斷。
• 輸出：LTC輸出可以是模擬或數(shù)字形式。設(shè)置為模擬輸出時(shí)，可驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載。LTC發(fā)生器以選定的幀率（如24 Hz、25 Hz、29.97 Hz或30 Hz）輸出LTC幀，并根據(jù)選定的LTC SYNC源生成的起始時(shí)間開始幀。輸出邊緣速率可針對(duì)SMPTE代碼（25 μsec）和EBU代碼（50 μsec）的上升和下降時(shí)間進(jìn)行編程。

視頻輸入與輸出

• 輸入：有兩組視頻輸入，在復(fù)合NTSC或PAL系統(tǒng)中，僅使用Y輸入；在S - Video系統(tǒng)中，Y和C分別電容耦合到各自的源。通過SMPTE控制寄存器中的VIDSEL位選擇一個(gè)視頻源作為視頻SYNC源，內(nèi)部定時(shí)器與輸入視頻同步，提取用于接收和生成VITC的定時(shí)信息。VITC接收器對(duì)輸入視頻進(jìn)行采樣，在選定的掃描線上尋找有效的VITC代碼，接收到有效代碼后寫入VITC接收緩沖區(qū)。
• 輸出：視頻輸出將選定的視頻輸入與VITC發(fā)生器和字符發(fā)生器的輸出相結(jié)合，可根據(jù)SMPTE控制寄存器中的SVID位選擇復(fù)合或S - Video輸出。VITC代碼從VITC發(fā)生器緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)生成，并在選定的行時(shí)間輸出，CRC和同步位由VITC發(fā)生器自動(dòng)生成。字符發(fā)生器用于在燒錄窗口中插入時(shí)間碼，覆蓋輸入視頻，燒錄窗口的垂直和水平位置可編程。

SMPTE SYNC源

時(shí)間碼發(fā)生器需要穩(wěn)定的SYNC輸入，以將LTC代碼正確定位在視頻磁帶或膠片的音軌上。有視頻、點(diǎn)擊輸入和自由運(yùn)行三種SYNC源可供選擇。對(duì)于視頻磁帶，LTC代碼必須在第5行開始的正負(fù)一行內(nèi)開始，這需要與輸入視頻進(jìn)行“Genlocking”。視頻定時(shí)部分鎖定視頻的水平和垂直SYNC信號(hào)，并生成SMPTE SYNC。如果有外部SYNC源，可通過CLICK輸入；否則，從振蕩器以選定的幀率生成自由運(yùn)行的SMPTE SYNC。

視頻定時(shí)發(fā)生器

視頻定時(shí)發(fā)生器與視頻輸入的SYNC分離器進(jìn)行“Genlocked”，從視頻輸入中提取NTSC或PAL定時(shí)信息，為VITC接收器、VITC發(fā)生器、LTC發(fā)生器和字符發(fā)生器生成行和像素速率定時(shí)。如果沒有視頻輸入，則生成自由運(yùn)行的定時(shí)。

覆蓋字符發(fā)生器

為了在視頻顯示上與畫面一起顯示時(shí)間碼，芯片提供了字符發(fā)生器。時(shí)間碼顯示（燒錄窗口）可以在屏幕上的任何位置顯示，有兩種尺寸可供選擇，字符顏色可以是白色或黑色，背景可以是黑色、白色或?qū)崟r(shí)視頻。

UART

提供通用UART用于MIDI、視頻傳輸控制等。大多數(shù)串行接口傳輸控制使用9600和38.4K BAUD，需要CTS和RTS調(diào)制解調(diào)器控制；MIDI端口使用31.25K BAUD，但不需要調(diào)制解調(diào)器控制。接收器包含一個(gè)四字節(jié)FIFO，以減少實(shí)時(shí)中斷服務(wù)要求，特別是在MIDI應(yīng)用中，由于數(shù)據(jù)速率高且許多MIDI消息為三字節(jié)長(zhǎng)，這一點(diǎn)尤為重要。發(fā)射器采用雙緩沖，可在接收器數(shù)據(jù)可用和/或發(fā)射緩沖區(qū)為空時(shí)產(chǎn)生中斷。

中斷定時(shí)器

中斷定時(shí)器是一個(gè)通用的10位定時(shí)器，有三個(gè)時(shí)鐘源（100 kHz、LTC接收時(shí)鐘和LTC發(fā)射時(shí)鐘）。其主要目的是便于定時(shí)生成MIDI時(shí)間碼消息。

處理器接口

ICS2008B支持標(biāo)準(zhǔn)微處理器接口和總線，如PC總線，允許訪問六個(gè)控制/狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器。這些寄存器分為兩組，一組四個(gè)用于SMPTE控制，另一組兩個(gè)用于直接UART端口控制，每組寄存器通過各自的芯片選擇信號(hào)SMPTECS和UARTCS進(jìn)行選擇。

寄存器詳解

SMPTE寄存器

• SMPTE0：包含SMPTE中斷控制和狀態(tài)以及VITC讀取狀態(tài)。四個(gè)中斷位（LRI、LXI、VLI和TMI）反映潛在中斷源的狀態(tài)，當(dāng)相應(yīng)的使能位（LRIEN、LXIEN或VLIEN）也被設(shè)置時(shí)，INTR輸出將被激活。通過讀取SMPTE0清除中斷。
• SMPTE1：只讀寄存器，包含視頻和LTC狀態(tài)，如FRAMEIN、CLICK、LTCLOCK、CODEDIR、VLOCK、FRAME和FIELD等狀態(tài)位。
• SMPTE2：指向57個(gè)間接寄存器的地址寄存器，若AUTOINC位設(shè)置為1，訪問SMPTE3后地址將自動(dòng)遞增。
• SMPTE3：數(shù)據(jù)寄存器，通過它訪問所有間接寄存器，訪問前需先在SMPTE2中設(shè)置寄存器地址。

間接寄存器

• LTC Read Registers IR0 - IR7：只讀寄存器，包含接收到的LTC數(shù)據(jù)。
• LTC Write Registers IR8 - IRF：包含LTC發(fā)射器要發(fā)送的數(shù)據(jù)。
• VITC Read 1 Registers IR10 - IR17：只讀寄存器，包含從IR30中選定的視頻行接收到的VITC數(shù)據(jù)。
• VITC Read 2 Registers IR18 - IR1F：與VITC Read 1寄存器類似，包含從IR31中選定的視頻行接收到的VITC數(shù)據(jù)。
• VITC Write Registers IR20 - IR27：包含VITC發(fā)生器要輸出的數(shù)據(jù)。
• BI Window Registers IR28 & 29：控制SMPTE視頻顯示燒錄窗口在視頻光柵中的位置。
• BI Character Registers IR2A - IR2D：包含用于燒錄窗口中SMPTE時(shí)間碼的字符代碼。
• ITC Write Line Select Registers IR2E & IR2F：允許選擇VITC代碼輸出的視頻行并啟用輸出。
• VITC Read Line Select Registers IR30 - IR31：允許控制冗余VITC讀取行，支持自動(dòng)行掃描。
• Video Control Register IR32：控制視頻的各種參數(shù)，如Genlock使能、視頻定時(shí)復(fù)位、視頻SYNC源選擇、VITC源選擇、視頻輸出選擇、S - Video選擇和PAL/NTSC選擇。
• Video Interrupt Line Register IR33：選擇視頻行中斷發(fā)生的視頻行。
• LTC Control Registers IR34 – IR37：控制LTC的各種參數(shù)，如邊緣速率、幀起始、時(shí)鐘源、傳輸使能、SYNC源選擇和輸出模式等。
• Timer Control Registers IR3C & IR3D：控制中斷定時(shí)器，IR3C為只寫寄存器，IR3D為讀寫寄存器。
• Burn - in Window Attributes IR3E：控制燒錄窗口的字符屬性，如閃爍、顏色、大小和頭部開關(guān)濾波。
• LTC Soft Sync IR3F：寫入該地址并將LTC SYNC選擇設(shè)置為Soft SYNC時(shí)，為L(zhǎng)TC發(fā)射器生成LTC SYNC。

UART寄存器

UART模擬6850，包含命令/狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。命令/狀態(tài)寄存器控制波特率、傳輸控制和接收中斷使能等；數(shù)據(jù)寄存器分為發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。

電氣特性

絕對(duì)最大額定值

• 工作溫度范圍：0°C至 + 70°C
• 存儲(chǔ)溫度范圍：– 65°C至 + 150°C
• 任何引腳到GND的電壓：– 0.5 V至VDD + 0.5 V
• VDD到GND的電壓：– 0.5 V至 + 7.0 V
• 功耗：1.0瓦

DC電氣特性

在TA = 0°C至 + 70°C，(V_{DD}=5 ~V pm 10 %) ，GND = 0V的條件下，規(guī)定了數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入和模擬輸出的各項(xiàng)參數(shù)。

AC電氣特性

規(guī)定了地址設(shè)置、地址保持、讀取脈沖寬度、訪問時(shí)間等時(shí)序參數(shù)，以及UART端口的波特率。

應(yīng)用與編程

應(yīng)用

• 晶體振蕩器：可使用串聯(lián)或并聯(lián)諧振晶體，若對(duì)頻率精度要求較高，建議使用并聯(lián)諧振晶體。
• 閾值旁路引腳：提供對(duì)內(nèi)部參考電平（CTHRESH、STHRESH和DTHRESH）的訪問，一般情況下這些引腳保持開路，若用戶需要設(shè)置其他電平，可通過這些引腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
• 自偏置輸入：CLICK和FRAME輸入偏置為1/3 VDD，連接到兩個(gè)比較器的正輸入，負(fù)輸入內(nèi)部偏置為1/3 VDD。模擬源應(yīng)電容耦合到輸入引腳，數(shù)字源可直接連接，但要確保數(shù)字電平在比較器的1/3 VDD閾值上下擺動(dòng)。
• 視頻輸入與輸出：Y1、Y2、C1和C2引腳必須電容耦合到端接的視頻源，輸入被鉗位到CTHRESH電平；YOUT和COUT是模擬多路復(fù)用器的輸出，應(yīng)盡量減少負(fù)載，以避免信號(hào)失真。

編程

• 間接寄存器訪問：通過SMPTE2（地址）和SMPTE3（數(shù)據(jù)）寄存器訪問間接寄存器，可使用自動(dòng)遞增功能減少訪問次數(shù)。
• 中斷處理：中斷可由LTC接收器、LTC發(fā)生器、視頻行計(jì)數(shù)、定時(shí)器和UART五個(gè)源產(chǎn)生。SMPTE0寄存器包含前四個(gè)中斷的狀態(tài)，讀取該寄存器可清除中斷；UART中斷狀態(tài)在UART0寄存器中，通過讀取接收數(shù)據(jù)寄存器或?qū)懭氚l(fā)送數(shù)據(jù)寄存器清除中斷。
• 讀取LTC：LTC數(shù)據(jù)接收后先放入臨時(shí)緩沖區(qū)，最后一位LTC數(shù)據(jù)接收后轉(zhuǎn)移到LTC讀取寄存器。LRI位在SMPTE0寄存器中設(shè)置為1，若LRIEN位也設(shè)置為1，則產(chǎn)生中斷，讀取SMPTE0寄存器清除中斷。
• 生成LTC：LTC發(fā)生器啟用（LTCEN設(shè)置為1）時(shí)，將LTC Write寄存器（IR8 - IRF）中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到輸出緩沖區(qū)。LXI中斷位在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移時(shí)設(shè)置為1。
• 讀取VITC：首先設(shè)置IR30 - IR33寄存器，選擇VITC讀取的視頻行，確保GENLOCK ENABLE位設(shè)置為1，VTRES位設(shè)置為0，Video Interrupt Line寄存器設(shè)置為所有VITC讀寫行之后的行。VLOCK位在SMPTE1寄存器中指示是否與選定的視頻源鎖相，只有VLOCK設(shè)置為1時(shí)，才能進(jìn)行VITC讀取。
• 生成VITC：設(shè)置IR2E、IR2F、IR32和IR33寄存器，選擇VITC寫入的視頻行，確保GENLOCK ENABLE位設(shè)置為1，VTRES位設(shè)置為0，Video Interrupt Line寄存器設(shè)置為所有VITC讀寫行之后的行。選定視頻行開始時(shí)，輸出VITC Write緩沖區(qū)（IR20 - IR27）中的數(shù)據(jù)。
• 燒錄窗口：通過IR28和IR29寄存器控制燒錄窗口的位置，IR3E寄存器控制燒錄窗口的字符屬性，IR2A - IR2D寄存器控制燒錄窗口中顯示的字符。
• UART：通過命令/狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器訪問UART，復(fù)位后需初始化命令寄存器才能使UART正常工作。波特率由UART0的1和0位控制，支持31.25 kHz（MIDI通信）、9600 Hz和38.4 kHz（大多數(shù)串行VTR傳輸控制）。

總結(jié)

ICS2008B芯片為多媒體設(shè)備的時(shí)間碼處理提供了全面而強(qiáng)大的解決方案。其豐富的功能和靈活的配置使其適用于各種需要SMPTE時(shí)間碼處理的應(yīng)用場(chǎng)景。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，深入了解ICS2008B的特性和功能，合理運(yùn)用其寄存器進(jìn)行編程，能夠有效提高產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。你在使用類似芯片時(shí)遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。