AN1415

AN1415
采用 PIC® MCU 的
视频回放和视频流解决方案
公式 2：
简介
对于单片机 （MCU）视频应用来说，从片外元件进行
数据访问所需的带宽可能成为系统性能的瓶颈。这种限
制会转化为限制给定时间段内对外部存储器设备的读取
和写入访问次数。一种常用的解决方案是使用压缩算
法。视频质量取决于压缩算法的复杂性，并且在大多数
情况下直接与其成正比。另一种解决方案是遵守带宽限
制，读取较低的分辨率视频并在显示期间对其进行重新
调整 （即升频）。有多种视频升频方法。
本 应 用 笔 记 介 绍 四 种 采 用 Microchip PIC ® 单 片 机
（MCU）和硬件解决方案来播放视频文件的方法。这些
解决方案的两个主要约束是数据访问所需带宽和处理器
速度。例如，第一种方法使用视频升频来获得所需的性
能，而第二种方法则利用多媒体扩展板 （Multimedia
Expansion Board，MEB）上的 LCD 控制器直接将视频
数据写入帧缓冲区。这两种方法均是从安全数字（Secure
Digital， SD）卡中读取视频文件并将其显示在 QVGA
LCD 屏幕上。
BPS = 320 ⋅ 240 ⋅ 30 ⋅ 16 = 36.8Mbps
通过线性插值技术，我们可以降低此要求，如公式 3
所示。
公式 3：
320
240
BPS = ⎛ ---------⎞ ⋅ ⎛ ---------⎞ ⋅ 30 ⋅ 16 = 9.2Mbps
⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
方法 1：使用插值升频方法在 PIC32 上
进行视频回放
插值是使用已知数据来估算未知数据值的技术。已知数
据是分辨率较低的数据。未知数据是较低和较高分辨率
图像之间的数据差值。图 1 (A) 表示 4 x 4 栅格图像中的
16 个像素。图 1 (B) 表示 8 x 8 栅格图像中的 64 个像
素。图 1 (A) 中的每个像素均进行 2D 插值，以获得图 1
(B) 中的四个像素。此为最近邻插值。由于这是线性插
值技术，因此计算成本最低。此技术假设分辨率不同的
相同图像的空间位置高度相关。图 2 给出了线性插值技
术的直观表示。
播放视频文件所需的数据吞吐量可通过使用公式 1 进行
计算。
图 1：
原始像素矩阵 (A) 和插值像素矩阵 (B)
公式 1：
1
BPS = H RES ⋅ V RES ⋅ FPS ⋅ BPP
其中，
BPS = 每秒位数
HRES = 水平分辨率
VRES = 垂直分辨率
FPS = 每秒帧数
BPP = 每像素位数
对于每秒 30 帧和每像素 16 位的未压缩 QVGA 视频，所
需带宽的计算方法如公式 2 所示。
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
(A)
1
1
2
2
3
3
4
4
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
11
12
12
9
9
10
10
11
11
12
12
13
13
14
14
15
15
16
16
13
13
14
14
15
15
16
16
(B)
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图 2：
像素的线性插值
2D 插值
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400% ? ?
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原始
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插值前
插值后
硬件要求
演示板设置
• 入门工具包 I/O 扩展板 （DM320002）
• PIC32 入门工具包：GP （DM320001）、
USB II（DM320003）或以太网 （DM320004）
• 适用于 SD™ 和 MMC 卡的 PICtail™ 子板
（AC164122）
• 安全数字 （SD）卡
• 图形 LCD 控制器 PICtail™ Plus SSD1926 演示板
（AC164127-5）
• 图形显示 Truly 3.2'' 240 x 320 演示板（AC164127-4）
图 3 展示了方法 1 使用的硬件设置。将加载了准备好的
视频的 SD 卡插入适用于 SD 卡和 MMC 卡的 PICtail 子
板，该子板与入门工具包 I/O 扩展板相连接。
图 3：
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准备视频文件
操作
本演示通过适用于 SD 卡和 MMC 卡的 PICtail 子板回放
AVI 视频文件。为确保正确回放，在将视频复制到 SD 卡
之前必须对其进行正确的格式化。视频格式必须为：
图形用户界面 （Graphical User Interface， GUI）基于
Microchip 图形库，并使用 Microchip 图形显示设计器实
现。检测到 SD 卡后，使用 Microchip 存储器磁盘驱动
（Memory Disk Drive， MDD）软件库初始化文件系统。
然后在 LCD 屏幕上显示可播放文件的列表。用户可通
过触摸触摸屏上的文件名来选择要播放的文件。
• 16 BPP RGB
• 160 x 120 （将用软件升频）
• 无声
有几种开源软件包可用于处理和转换视频文件。在本演
示示例中，使用 ffmpeg 应用程序。
以下步骤介绍了如何使用 ffmpeg 调整 AVI （.avi）文
件的大小。
1.
从以下网址下载并安装 ffmpeg：
http://ffmpeg.org/download.html
2.
使用 ffmpeg 调整文件大小：
a) 在 Windows 中，使用 cmd.exe 打开命令
窗口。
b) 切换到包含 .avi 文件的目录。
c) 在命令窗口中，键入：
ffmpeg -i <fn>.avi -s 160x120
-pix_fmt rgb565 <fn>.avi
SPI 控制器针对数据传送进行初始化。通过串行外设接
口 （Serial Peripheral Interface， SPI）端口从 SD 卡读
取数据。为了最大化数据吞吐量，SD 位时钟运行在标准
支持的最大速度 ——25 MHz。数据通过 16 位并行主控
端口 （Parallel Master Port， PMP）发送到 SSD1926。
直接存储器访问（Direct Memory Access，DMA）用于
从 SD 卡读取数据。数据通过 SPI 接口从 SD 卡读入 SPI
缓冲区，该缓冲区由 DMA 监视，从而节省了宝贵的处
理器时间。 SPI 缓冲区会进一步复制到乒乓缓冲区。乒
乓缓冲区成对使用，这样在向一个缓冲区写入数据时，
可以将另一个缓冲区中的数据发送到显示屏。这样做是
为了减少 “拖延”读取时间。例如，如果要将 2 字节的
数据从 SD 卡传送到显示屏，则第一个字节会写入其中
一个乒乓缓冲区。在将第二个字节写入另一个缓冲区
时，可将第一个缓冲区中的数据读入显示屏。
其中，<fn> 是要转换的文件名。图 4 显示了示例
对话框。
3.
4.
将生成的文件复制到已格式化成FAT16文件系统
的 SD 卡中。
将 SD 卡插入适用于 SD 卡和 MMC 卡的 PICtail
子板。
现在便可运行该演示。
图 4：
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方法 2：使用 MEB 上的 SSD1926 LCD
图形控制器传送 micro-SD 卡中的原始
视频流
本节介绍如何使用多媒体扩展板 （MEB）和 PIC32/
PIC24/dsPIC® DSC 入门工具包回放 micro-SD 卡中的
视频。演示的内容是在 MEB 的 QVGA LCD 上播放
micro-SD 卡中的 RGB565 格式原始视频文件。
硬件要求
准备视频文件
本演示将打开一个存储在 micro-SD 卡中的原始视频文
件，并在 MEB 的 QVGA LCD 上播放。可使用几种软件
包将视频文件从一种类型转换为另一种类型。本示例介
绍如何使用 ffmpeg 将 WMV（.wmv）文件转换为原始
视频文件。
1.
从以下网址下载并安装 ffmpeg：
http://ffmpeg.org/download.html
2.
将文件转换为 RGB565 格式：
a) 在Windows中，使用cmd.exe打开命令窗口。
b) 切换到包含 .wmv 文件的目录。
c) 在命令窗口中，键入：
• 多媒体扩展板 （DM320005）
• PIC32 入门工具包（GP、以太网或 USB II）/
PIC24 入门工具包 /dsPIC DSC 入门工具包
• micro-SD 卡
• 标准 A 到 mini-B USB 电缆
ffmpeg -i <fn>.wmv -s 320x240
-pix_fmt rgb565 <fn>.rgb
其中，<fn> 是要转换的文件名。图 5 显示了示例
对话框。
软件要求
• MPLAB® 8.x 或更高版本
• 原始视频文件
3.
4.
将生成的文件复制到已格式化成FAT16文件系统
的 micro-SD 卡中。
将该卡插入 MEB。
现在便可运行该演示。
图 5：
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运行演示
实现
该演示将显示一个包含 micro-SD 卡中文件的菜单，如
图 6 所示。要播放视频，可通过触摸其名称将其选中，
然后视频便开始播放，如图 7 所示。视频完成回放后，
将返回菜单。
该演示利用 Solomon Systech SSD1926 LCD 控制器将
原始视频数据文件直接从 micro-SD 卡传输到 SSD1926
片上存储器中的视频帧缓冲区。通过直接将数据从卡
中传输到显示缓冲区，可避免通过单片机移动数据所产
生的额外开销。
应当注意，以方法 2 播放的视频文件必须为 .RGB 格式，
如图 6 所示。
图 6：
如图 8 所示， PIC MCU 通过 MEB 与 SSD1926 相连。
软件利用 Microchip 图形库为演示创建了一个 GUI。
Microchip MDD 文件系统库用于定位文件并提供文件大
小和位置信息。Microchip应用程序库中的SSD1926 SD
驱动程序用于访问 micro-SD 卡。
图 8：
多媒体扩展板
PIC32 入门工具包
QVGA LCD
SSD1926
micro-SD 卡
操作
图 7：
本演示基于 Microchip 应用程序库中的 SSD1926 JPEG
和 micro-SD 卡演示。 GUI 基于 Microchip 图形库，
并使用 Microchip 图形显示设计器实现。Microchip MDD
库用于访问 micro-SD 卡上的文件系统。
在视频回放期间，数据通过直接存储器访问（DMA）直
接从 micro-SD 卡传送到 SSD1926 中的帧缓冲区，一次
一帧。当完成传送一帧后，文件指针设置为指向下一
帧，此过程会一直重复，直到文件播放结束。
为了最大化数据吞吐量， SD 位时钟运行在标准支持的
最大速度 ——25 MHz。启用了四位数据传送、多块传
送和自动命令 12。有关详细信息，请参见 SSD1926 数
据手册，该手册可从 Solomon Systech 获取。
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方法 3：使用 PIC32 在 MEB 上通过
以太网传输未压缩 AVI 视频
软件要求
• MPLAB 8.x 或更高版本
此方法介绍如何使用 MEB 和 PIC32 以太网入门工具包
通过以太网实现 AVI 视频流。
数据包结构
视频文件要求
此演示使用定制开发的 PC 应用程序 （UDPApp.exe）
通过以太网传输视频信息。
• 设备无关位图 （Device Independent Bitmap， DIB）
格式的未压缩 AVI 文件
• 320 x 240 的视频分辨率
• 视频帧速率最高每秒 20 帧 （如果网络流量较高，可
使用帧速率较低的视频文件）
硬件要求
•
•
•
•
多媒体扩展板 （DM320005）
PIC32 以太网入门工具包 （DM320004）
以太网 （RJ-45）交叉电缆
标准 A 到 mini-B USB 电缆
图 9：
使用 UDP 作为传输层协议，通过以太网传送视频包。
PC 应用程序向 PIC32 器件传送三种类型的数据包。分
别为 AVI 信息包、视频包和时间同步包。
AVI 信息包：此数据包中的数据字段包含有关视频分辨
率、视频帧数以及视频帧持续时间（微秒）的信息。PC
应用程序从 AVI 文件中提取此信息并将其传送到 PIC32
器件。PIC32 器件使用此信息控制视频回放速率和屏幕
分辨率。AVI 信息包是从 PC 应用程序发送到 PIC32 器
件的第一个数据包。该数据包的结构如图 9 所示。
AVI 信息包结构
2
2
4
2
2
4
4
数据包
长度
数据包
类型
像素地址
X 大小
Y 大小
帧数
帧持续
时间
字节
数据字段
其中：
数据包长度 = 20
数据包类型 = 4 （AVI 信息包）
像素地址 = 不用于此数据包
X 大小 = 320 （以像素为单位的屏幕宽度）
Y 大小 = 240 （以像素为单位的屏幕高度）
帧数 = AVI 文件支持的帧数
帧持续时间 = 以微秒为单位的视频帧持续时间
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视频包：PC 应用程序通过视频包将原始视频数据传送
到 PIC32 器件。视频包中的数据字段包含 RGB565（16
位）格式的像素数据。在将视频包传送到 PIC32 器件之
前， PC 应用程序会分析 AVI 文件，并将像素数据从
RGB888 （24 位）格式转换为 RGB565 （16 位）格
式。将像素数据从 24 位格式转换为 16 位格式可节省大
量 以 太 网 带 宽。视 频 包 还 包 含 像 素 地 址，这 有 助 于
PIC32 器件在 LCD 上绘制像素数据。视频包的结构如
图 10 所示。
图 10：
时间同步包：PC 应用程序分多次传送视频包。每次均
包含整个视频帧的视频信息。在每次传送结束时， PC
应用程序都会发出一个时间同步包并等待 PIC32 器件确
认。在收到 PIC32 器件的确认后不久， PC 应用程序进
行下一次视频包传送。在视频包传送间隔内插入时间同
步包有助于控制视频回放速度。
图 11 显示了时间同步包的结构。图 12 显示了使用时间
同步包的视频帧速率控制机制。
视频包结构
字节
2
2
4
2
2
4
数据包
长度
数据包
类型
像素地址
像素 1
像素 2
.......
像素 n
数据字段
其中：
数据包长度 = 8 + 2 x （像素数）
数据包类型 = 1 （视频包）
像素地址 = 数据字段中第一个像素的地址
像素 1 .... 像素 n= 数据字段中的像素
图 11：
时间同步包结构
字节
2
2
4
数据包
长度
数据包
类型
像素地址
其中：
数据包长度 = 8
数据包类型 = 3 （时间同步包）
像素地址 = 不用于此数据包
注：
此数据包类型没有数据字段。
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图 12：
使用时间同步包控制视频帧速率
来自 PC
应用程序
的数据包
T
V1
V2
V3
Vn
T
V1
（视频包传送）
下一次
传送的
起始位置
来自 PIC32
的数据包
A
A
1/（每秒帧数）
其中：
T = 时间同步包
A = 确认包
V1 ...Vn = 视频包
PC应用程序需要一个来自PIC32器件的确认包用于AVI
信息包和时间同步包。图 13 显示了该确认包的结构。
图 13：
确认包结构
2
2
4
1
1
1
数据包
长度
数据包
类型
像素地址
‘A’
‘C’
‘K’
字节
数据字段
其中：
数据包长度 = 11
数据包类型 = 5 （确认包）
像素地址 = 不用于此数据包
数据字段包含字符串 “ACK”。
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操作
本演示利用 Microchip 应用程序库中的 TCP/IP 协议栈和
图形协议栈。演示板初始化后不久，PIC32 器件开始侦
听以太网上的新数据包。PC 应用程序向 PIC32 器件发
送一个 AVI 信息包作为第一个数据包。该 AVI 信息包包
含以微秒为单位的帧持续时间信息。PIC32 器件使用帧
持续时间信息来以正确的速度播放视频。视频包在 AVI
信息包之后通过以太网传送。视频包包含像素地址和像
素数据。PIC32 器件使用 DMA 传输，通过 PMP 接口将
像素数据写入 SSD1926 （图形控制器）。
运行演示
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
将服务器 PC 的 IP 地址和子网掩码分别设置为
192.168.1.12 和 255.255.255.0。
将 PIC32 以太网入门工具包连接到 MEB。
使用 mini-B USB 电缆将 PC 连接到入门工具包
的调试器。
使用以太网 （RJ-45）电缆将 PIC32 以太网入门
工具包连接到 PC。
启动 MPLAB IDE，然后打开
video_stream_demo.mcp 项目。
在 MPLAB IDE 中选择 PIC32 Ethernet Starter Kit
（PIC32 以太网入门工具包）作为调试器。
在调试模式下重新编译项目。
烧写入门工具包并运行演示。
对 PIC32 器件执行 Ping 操作以确保以太网连接
正常。可通过在 PC 上的命令窗口中键入 ping
192.168.1.11 来执行此操作。PIC32 器件的默
认 IP 地址为 192.168.1.11。
在 Windows 命令窗口中，切换到 PC 应用程序
UDPApp.exe 的安装目录。
键入以下命令来运行该 PC 应用程序：
UDPApp [filename] [delay] 192.168.1.11
其中，
[filename]是AVI格式的视频文件，[delay]是
UDP数据包之间的延时 （以微秒为单位）。在理
想情况下，应将此值设置在 100 和 200 之间。增
加延时值会使视频的播放速率变慢。减小延时值
会导致数据包丢失，并可能降低视频质量。
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方法 4：使用 PIC32 在 WVGA 上通过
以太网传输未压缩 AVI 视频
此方法是方法 3 的变型，它使用不同的技术在分辨率较
高的显示屏 （如 WVGA）上显示视频。
视频文件要求
• DIB 格式的未压缩 AVI 视频文件
• 400 x 240 的视频分辨率
• 视频帧速率最高为 20 FPS （如果网络流量较高，
可使用帧速率较低的视频文件）
操作和运行演示
要操作和运行演示，请使用方法 3：使用 PIC32 在 MEB
上通过以太网传输未压缩 AVI 视频中所述的信息，但显
示部分除外。
在方法 4 中，采用像素水平插值技术。图形显示屏上的
视频是通过对交替帧中的交替场（帧中所有奇数行和偶
数行的组合）进行交错获得的。可通过此方法提高插值
的帧速率。
图 14 说明了 SD 卡的隔行视频格式。
图 14：
SD 卡格式
硬件要求
1.
2.
3.
4.
5.
图形 PICtail™ Plus Epson S1D13517 演示板
（AC164127-7）
PIC32 以太网入门工具包 （DM320004）
以太网 （RJ-45）交叉电缆
标准 A 到 mini-B USB 电缆
图形显示 Truly 7'' 800 x 480 演示板
（AC164127-9）
P(0,0,0)P(0,1,0).........................P(0,X-1,0)
P(1,0,0)P(1,1,0).........................P(1,X-1,0)
Y
P(Y-1,0,0)P(Y-1,1,0)....,,,...........P(Y-1,X-1,0)
软件要求
X
• MPLAB 8.x 或更高版本
其中：
P(a,b,c) = 存储在 SD 卡上的原始视频中的像素，
其中 (a,b,c) = 像素索引
a = 垂直索引； b = 水平索引； c = 帧号
X 和 Y = 视频的水平和垂直分辨率
图 15 说明了图形显示屏的隔行视频格式。
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图 15：
图形显示屏格式
P(0,0,0)P(0,0,0)P(0,1,0)P(0,1,0)P(0,2,0)P(0,2,0)............................P(0,X-1,0)P(0,X-1,0)
P(0,0,1)P(0,0,1)P(0,1,1)P(0,1,1)P(0,2,1)P(0,2,1)............................P(0,X-1,1)P(0,X-1,1)
P(1,0,0)P(1,0,0)P(1,1,0)P(1,1,0)P(1,2,0)P(1,2,0)............................P(1,X-1,0)P(1,X-1,0)
P(1,0,1)P(1,0,1)P(1,1,1)P(1,1,1)P(1,2,1)P(1,2,1)............................P(1,X-1,1)P(1,X-1,1)
2Y
P(Y-1,0,0)P(Y-1,0,0)P(Y-1,1,0)P(Y-1,1,0)P(Y-1,2,0)P(Y-1,2,0).......P(Y-1,X-1,0)P(Y-1,X-1,0)
P(Y-1,0,1)P(Y-1,0,1)P(Y-1,1,1)P(Y-1,1,1)P(Y-1,2,1)P(Y-1,2,1).......P(Y-1,X-1,1)P(Y-1,X-1,1)
2X
其中：
P(a,b,c) = 图形显示屏上的像素，其中 (a,b,c) = 像素索引
a = 垂直索引； b = 水平索引； c = 帧号
2X 和 2Y = 图形显示屏的水平和垂直分辨率
结论
本应用笔记提供了四种可通过 PIC32 器件实现视频回放
和视频流应用的方法。
这些方法可用于多种场合，例如远程教育、监控摄像
头，以及在英特网上显示新闻和娱乐视频。此外，SD 卡
的视频回放还可用于需要存储数据以供将来回看的场
合，如：监控摄像头或教学讲座视频。
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附录 A：
源代码
软件许可协议
Microchip Technology Incorporated （以下简称 “本公司”）在此提供的软件旨在向本公司客户提供专门用于本公司生产的产品的软件。
本软件为本公司和 / 或其供应商所有，并受到适用的版权法保护。版权所有。使用时违反前述约束的用户可能会依法受到刑事制裁，
并可能由于违背本许可的条款和条件而承担民事责任。
本软件是按 “现状”提供的。不附有任何形式的保证，无论是明示的、暗示的或法定的，包括 （但不限于）有关适销性和特定用途
的暗示保证。对于在任何情况下，因任何原因造成的特殊的、偶然的或间接的损害，本公司概不负责。
本应用笔记中提及的所有软件都以单个 WinZip 归档文
件的形式提供。可从 Microchip 公司网站下载此文件：
www.microchip.com
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请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点：
•
Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标。
•
Microchip 确信：在正常使用的情况下， Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。
•
目前，仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。就我们所知，所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的
操作规范来使用 Microchip 产品的。这样做的人极可能侵犯了知识产权。
•
Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作。
•
Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性。代码保护并不意味着我们保证产品是 “牢不可破”的。
代码保护功能处于持续发展中。 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能。任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视
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Thermistor、MXDEV、MXLAB、SEEVAL 和 The Embedded
Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc.
在美国的注册商标。
Analog-for-the-Digital Age、 Application Maestro、 chipKIT、
chipKIT 徽标、 CodeGuard、 dsPICDEM、 dsPICDEM.net、
dsPICworks、 dsSPEAK、 ECAN、 ECONOMONITOR、
FanSense、 HI-TIDE、 In-Circuit Serial Programming、
ICSP、 Mindi、 MiWi、 MPASM、 MPLAB Certified 徽标、
MPLIB、MPLINK、mTouch、Omniscient Code Generation、
PICC、 PICC-18、 PICDEM、 PICDEM.net、 PICkit、
PICtail、 REAL ICE、 rfLAB、 Select Mode、 Total
Endurance、 TSHARC、 UniWinDriver、 WiperLock 和
ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地
区的商标。
SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记。
在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。
© 2012, Microchip Technology Inc. 版权所有。
ISBN：978-1-62076-316-2
QUALITY MANAGEMENT SYSTEM
CERTIFIED BY DNV
== ISO/TS 16949 ==
© 2012 Microchip Technology Inc.
Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州
Gresham 的全球总部、设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和
印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证。 Microchip 的
PIC® MCU 与 dsPIC® DSC、KEELOQ® 跳码器件、串行 EEPROM、单片
机外设、非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程。
此外， Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了
ISO 9001:2000 认证。
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亚太地区
亚太地区
欧洲
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