深入解析ICS2008B：SMPTE时间码接收器/发生器芯片

在多媒体设备的设计中，时间码的精确处理至关重要。Renesas的ICS2008B作为一款SMPTE时间码接收器/发生器芯片，为多媒体音视频事件的时间协调提供了强大支持。下面将详细介绍这款芯片的特点、功能及应用。

文件下载：ICS2008BY-10LFT.pdf

芯片概述

ICS2008B是采用低功耗CMOS工艺设计的VLSI设备，旨在为多媒体视听事件提供时间协调。它不仅适用于PC多媒体环境，还能轻松集成到需要SMPTE时间码生成和/或接收的产品中，支持LTC（纵向时间码）、VITC（垂直间隔时间码）格式以及MTC（MIDI时间码）转换。该芯片可从复合视频、S - Video或音频轨道读取VITC和LTC格式的SMPTE时间码，输出格式为LTC和VITC，且所有输出可同时进行。此外，还提供UART用于支持MTC或磁带传输控制，其处理器接口与IBM PC和ISA总线兼容计算机兼容，也易于与其他处理器和微控制器连接。

芯片特性

1. 符合标准：满足SMPTE VITC规范、SMPTE和EBU LTC规范。
2. 时间码烧录窗口：位置、大小和字符属性可编程。
3. LTC边缘速率控制：符合EBU (T{r}) 和 (T{f}) 规范。
4. 同步源：支持内部和外部同步源，可与视频或房屋同步输入进行锁相，在VCR暂停和穿梭模式下改善视频定时锁定，还可从振荡器输入内部生成定时，支持外部点击输入和内部定时器。
5. 时间码发生器：支持实时SMPTE速率（30 Hz、29.97 Hz、25 Hz、24 Hz），具备降帧和彩色帧模式，VITC可插入10 - 40行中的两行（SMPTE规定为10 - 20行），支持Jam Sync、自由运行、错误旁路/校正和加一帧功能。
6. 接收器：LTC接收器可在 (1 / 30^{th}) 标称到80X标称播放速度下同步比特率；VITC接收器可从任何或所有选定的扫描线读取代码，具备搜索模式，可搜索VBI线直到找到VITC。
7. UART：新的UART频率为38.4 K，用于磁带传输控制。

功能模块详解

硬件环境

ICS2008B作为处理器（如PC或单芯片微处理器）的外设运行，通过双缓冲处理传入和传出的时间码，满足实时要求。

LTC输入与输出

• 输入：LTCIN是差分模拟输入，通过电容耦合到LTC源，经比较器处理后进入LTC接收器，可接收正向或反向的LTC，速率范围为 (1 / 30^{th}) 到80X标称帧率。接收到有效LTC SYNC模式后，将数据采样并加载到接收缓冲区，接收完整帧后产生中断。
• 输出：LTC输出可以是模拟或数字形式。设置为模拟输出时，可驱动高阻抗负载。LTC发生器以选定的帧率（如24 Hz、25 Hz、29.97 Hz或30 Hz）输出LTC帧，并根据选定的LTC SYNC源生成的起始时间开始帧。输出边缘速率可针对SMPTE代码（25 µsec）和EBU代码（50 µsec）的上升和下降时间进行编程。

视频输入与输出

• 输入：有两组视频输入，在复合NTSC或PAL系统中，仅使用Y输入；在S - Video系统中，Y和C分别电容耦合到各自的源。通过SMPTE控制寄存器中的VIDSEL位选择一个视频源作为视频SYNC源，内部定时器与输入视频同步，提取用于接收和生成VITC的定时信息。VITC接收器对输入视频进行采样，在选定的扫描线上寻找有效的VITC代码，接收到有效代码后写入VITC接收缓冲区。
• 输出：视频输出将选定的视频输入与VITC发生器和字符发生器的输出相结合，可根据SMPTE控制寄存器中的SVID位选择复合或S - Video输出。VITC代码从VITC发生器缓冲区中的数据生成，并在选定的行时间输出，CRC和同步位由VITC发生器自动生成。字符发生器用于在烧录窗口中插入时间码，覆盖输入视频，烧录窗口的垂直和水平位置可编程。

SMPTE SYNC源

时间码发生器需要稳定的SYNC输入，以将LTC代码正确定位在视频磁带或胶片的音轨上。有视频、点击输入和自由运行三种SYNC源可供选择。对于视频磁带，LTC代码必须在第5行开始的正负一行内开始，这需要与输入视频进行“Genlocking”。视频定时部分锁定视频的水平和垂直SYNC信号，并生成SMPTE SYNC。如果有外部SYNC源，可通过CLICK输入；否则，从振荡器以选定的帧率生成自由运行的SMPTE SYNC。

视频定时发生器

视频定时发生器与视频输入的SYNC分离器进行“Genlocked”，从视频输入中提取NTSC或PAL定时信息，为VITC接收器、VITC发生器、LTC发生器和字符发生器生成行和像素速率定时。如果没有视频输入，则生成自由运行的定时。

覆盖字符发生器

为了在视频显示上与画面一起显示时间码，芯片提供了字符发生器。时间码显示（烧录窗口）可以在屏幕上的任何位置显示，有两种尺寸可供选择，字符颜色可以是白色或黑色，背景可以是黑色、白色或实时视频。

UART

提供通用UART用于MIDI、视频传输控制等。大多数串行接口传输控制使用9600和38.4K BAUD，需要CTS和RTS调制解调器控制；MIDI端口使用31.25K BAUD，但不需要调制解调器控制。接收器包含一个四字节FIFO，以减少实时中断服务要求，特别是在MIDI应用中，由于数据速率高且许多MIDI消息为三字节长，这一点尤为重要。发射器采用双缓冲，可在接收器数据可用和/或发射缓冲区为空时产生中断。

中断定时器

中断定时器是一个通用的10位定时器，有三个时钟源（100 kHz、LTC接收时钟和LTC发射时钟）。其主要目的是便于定时生成MIDI时间码消息。

处理器接口

ICS2008B支持标准微处理器接口和总线，如PC总线，允许访问六个控制/状态和数据寄存器。这些寄存器分为两组，一组四个用于SMPTE控制，另一组两个用于直接UART端口控制，每组寄存器通过各自的芯片选择信号SMPTECS和UARTCS进行选择。

寄存器详解

SMPTE寄存器

• SMPTE0：包含SMPTE中断控制和状态以及VITC读取状态。四个中断位（LRI、LXI、VLI和TMI）反映潜在中断源的状态，当相应的使能位（LRIEN、LXIEN或VLIEN）也被设置时，INTR输出将被激活。通过读取SMPTE0清除中断。
• SMPTE1：只读寄存器，包含视频和LTC状态，如FRAMEIN、CLICK、LTCLOCK、CODEDIR、VLOCK、FRAME和FIELD等状态位。
• SMPTE2：指向57个间接寄存器的地址寄存器，若AUTOINC位设置为1，访问SMPTE3后地址将自动递增。
• SMPTE3：数据寄存器，通过它访问所有间接寄存器，访问前需先在SMPTE2中设置寄存器地址。

间接寄存器

• LTC Read Registers IR0 - IR7：只读寄存器，包含接收到的LTC数据。
• LTC Write Registers IR8 - IRF：包含LTC发射器要发送的数据。
• VITC Read 1 Registers IR10 - IR17：只读寄存器，包含从IR30中选定的视频行接收到的VITC数据。
• VITC Read 2 Registers IR18 - IR1F：与VITC Read 1寄存器类似，包含从IR31中选定的视频行接收到的VITC数据。
• VITC Write Registers IR20 - IR27：包含VITC发生器要输出的数据。
• BI Window Registers IR28 & 29：控制SMPTE视频显示烧录窗口在视频光栅中的位置。
• BI Character Registers IR2A - IR2D：包含用于烧录窗口中SMPTE时间码的字符代码。
• ITC Write Line Select Registers IR2E & IR2F：允许选择VITC代码输出的视频行并启用输出。
• VITC Read Line Select Registers IR30 - IR31：允许控制冗余VITC读取行，支持自动行扫描。
• Video Control Register IR32：控制视频的各种参数，如Genlock使能、视频定时复位、视频SYNC源选择、VITC源选择、视频输出选择、S - Video选择和PAL/NTSC选择。
• Video Interrupt Line Register IR33：选择视频行中断发生的视频行。
• LTC Control Registers IR34 – IR37：控制LTC的各种参数，如边缘速率、帧起始、时钟源、传输使能、SYNC源选择和输出模式等。
• Timer Control Registers IR3C & IR3D：控制中断定时器，IR3C为只写寄存器，IR3D为读写寄存器。
• Burn - in Window Attributes IR3E：控制烧录窗口的字符属性，如闪烁、颜色、大小和头部开关滤波。
• LTC Soft Sync IR3F：写入该地址并将LTC SYNC选择设置为Soft SYNC时，为LTC发射器生成LTC SYNC。

UART寄存器

UART模拟6850，包含命令/状态寄存器和数据寄存器。命令/状态寄存器控制波特率、传输控制和接收中断使能等；数据寄存器分为发送缓冲区和接收缓冲区。

电气特性

绝对最大额定值

• 工作温度范围：0°C至 + 70°C
• 存储温度范围：– 65°C至 + 150°C
• 任何引脚到GND的电压：– 0.5 V至VDD + 0.5 V
• VDD到GND的电压：– 0.5 V至 + 7.0 V
• 功耗：1.0瓦

DC电气特性

在TA = 0°C至 + 70°C，(V_{DD}=5 ~V pm 10 %) ，GND = 0V的条件下，规定了数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出的各项参数。

AC电气特性

规定了地址设置、地址保持、读取脉冲宽度、访问时间等时序参数，以及UART端口的波特率。

应用与编程

应用

• 晶体振荡器：可使用串联或并联谐振晶体，若对频率精度要求较高，建议使用并联谐振晶体。
• 阈值旁路引脚：提供对内部参考电平（CTHRESH、STHRESH和DTHRESH）的访问，一般情况下这些引脚保持开路，若用户需要设置其他电平，可通过这些引脚进行驱动。
• 自偏置输入：CLICK和FRAME输入偏置为1/3 VDD，连接到两个比较器的正输入，负输入内部偏置为1/3 VDD。模拟源应电容耦合到输入引脚，数字源可直接连接，但要确保数字电平在比较器的1/3 VDD阈值上下摆动。
• 视频输入与输出：Y1、Y2、C1和C2引脚必须电容耦合到端接的视频源，输入被钳位到CTHRESH电平；YOUT和COUT是模拟多路复用器的输出，应尽量减少负载，以避免信号失真。

编程

• 间接寄存器访问：通过SMPTE2（地址）和SMPTE3（数据）寄存器访问间接寄存器，可使用自动递增功能减少访问次数。
• 中断处理：中断可由LTC接收器、LTC发生器、视频行计数、定时器和UART五个源产生。SMPTE0寄存器包含前四个中断的状态，读取该寄存器可清除中断；UART中断状态在UART0寄存器中，通过读取接收数据寄存器或写入发送数据寄存器清除中断。
• 读取LTC：LTC数据接收后先放入临时缓冲区，最后一位LTC数据接收后转移到LTC读取寄存器。LRI位在SMPTE0寄存器中设置为1，若LRIEN位也设置为1，则产生中断，读取SMPTE0寄存器清除中断。
• 生成LTC：LTC发生器启用（LTCEN设置为1）时，将LTC Write寄存器（IR8 - IRF）中的数据转移到输出缓冲区。LXI中断位在数据转移时设置为1。
• 读取VITC：首先设置IR30 - IR33寄存器，选择VITC读取的视频行，确保GENLOCK ENABLE位设置为1，VTRES位设置为0，Video Interrupt Line寄存器设置为所有VITC读写行之后的行。VLOCK位在SMPTE1寄存器中指示是否与选定的视频源锁相，只有VLOCK设置为1时，才能进行VITC读取。
• 生成VITC：设置IR2E、IR2F、IR32和IR33寄存器，选择VITC写入的视频行，确保GENLOCK ENABLE位设置为1，VTRES位设置为0，Video Interrupt Line寄存器设置为所有VITC读写行之后的行。选定视频行开始时，输出VITC Write缓冲区（IR20 - IR27）中的数据。
• 烧录窗口：通过IR28和IR29寄存器控制烧录窗口的位置，IR3E寄存器控制烧录窗口的字符属性，IR2A - IR2D寄存器控制烧录窗口中显示的字符。
• UART：通过命令/状态寄存器和数据寄存器访问UART，复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（大多数串行VTR传输控制）。

总结

ICS2008B芯片为多媒体设备的时间码处理提供了全面而强大的解决方案。其丰富的功能和灵活的配置使其适用于各种需要SMPTE时间码处理的应用场景。作为电子工程师，在设计相关产品时，深入了解ICS2008B的特性和功能，合理运用其寄存器进行编程，能够有效提高产品的性能和稳定性。你在使用类似芯片时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。