金永明，蔣 韜（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210000）

DP與DVI接口在4K顯示器上疊加顯示的電路設(shè)計(jì)

金永明，蔣 韜
（中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京 210000）

本文描述了DP和DVI接口在4K顯示器上疊加顯示的電路設(shè)計(jì)原理，提供了基于STDP9320電路芯片為核心的電路實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)與電路相關(guān)的驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行了規(guī)劃。本電路不但功能和性能穩(wěn)定，同時(shí)電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方便，具有一定的使用價(jià)值。

DP；DVI；疊加顯示

0　引言

2014年以來，顯示器領(lǐng)域發(fā)展的最大亮點(diǎn)：4k（分辨率3840*2160）顯示器量產(chǎn)化和商業(yè)化。隨著4K顯示器的普及，顯示器接口也同步發(fā)展中。DP（Display Port）視頻接口升級(jí)到1.2版本后，從數(shù)據(jù)吞吐率等方面較好地適配了4K顯示器顯示器，成為4K顯示器標(biāo)配視頻接口。

4K分辨率顯示器的商業(yè)化應(yīng)用，結(jié)合DP1.2視頻接口標(biāo)準(zhǔn)確定，大大地推動(dòng)了醫(yī)療高清顯示、視頻會(huì)議高清顯示等高端應(yīng)用?？紤]到在上述顯示領(lǐng)域DVI接口的大量使用，因此本文提出了DP與DVI視頻接口在4K顯示器上疊加顯示的電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，既可以充分利用已有的電子資源，同時(shí)可快速進(jìn)行電子設(shè)備升級(jí)換代。

DP與DVI視頻接口疊加電路主要以STDP9320視頻處理芯片為主，通過兩片STDP9320視頻處理芯片級(jí)聯(lián)，配合視頻處理芯片內(nèi)部控制程序驅(qū)動(dòng)4K顯示器視頻顯示，控制輸入DVI視頻信號(hào)的疊加顯示，此疊加顯示電路采用專用4k視頻處理芯片完成視頻疊加顯示，電路功能和性能穩(wěn)定可靠。在實(shí)際使用過程中，上述疊加電路用一定的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1　電路原理設(shè)計(jì)

本視頻電路重點(diǎn)在4K顯示器上完成視頻疊加顯示，因此電路核心為4K顯示器視頻顯示。通過對(duì)商業(yè)化4K顯示器驅(qū)動(dòng)電路解剖和分析，確定目前市場上4K顯示器視頻驅(qū)動(dòng)芯片主要采用：1，商業(yè)化專用視頻處理芯片，如ST公司、MStar公司、Realtek公司等提供成熟技術(shù)的視頻芯片；2非商業(yè)化視頻處理公司采用FPGA以及專業(yè)視頻內(nèi)核，編程實(shí)現(xiàn)4K顯示器視頻顯示。后期經(jīng)過技術(shù)研討和難度評(píng)判，結(jié)合上述兩種技術(shù)路線的功能和性能對(duì)比，本視頻電路采用ST公司新一代視頻處理芯片STDP9320完成4K顯示器視頻顯示。

STDP9320視頻處理器是ST公司新的視頻處理芯片，此芯片具有以下功能：

支持顯示最大分辨率為2560x1600/60Hz

外部支持兩路DP1.2（DisplayPort）視頻輸入

外部支持兩路DVI視頻輸入，最大視頻工作輸率165MHz

外部支持24位TTL視頻信號(hào)輸入

輸出視頻信號(hào)最多4路LVDS

目前4K顯示器分辯率一般為3840×2160，如圖1所示本項(xiàng)目選用的4K顯示器顯示像素排列圖。

圖1　4K顯示器顯示像素配列圖

4K顯示器分辨率一般為3840×2160像素，顯示器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家為了降低顯示器工作視頻時(shí)鐘、功耗，以及顯示器芯片設(shè)計(jì)難度，對(duì)4K顯示器驅(qū)動(dòng)采用如圖1所示視頻4路并行驅(qū)動(dòng)方式，將顯示器分為4個(gè)相同視頻區(qū)間并行顯示，每個(gè)顯示區(qū)間為960×2160像素，通過上述并行視頻處理方式，降低了4K顯示器對(duì)視頻驅(qū)動(dòng)芯片的要求，符合目前視頻芯片處理和發(fā)展水平。

根據(jù)STDP視頻芯片功能和4K顯示器顯示像素排列圖，如圖2所示為DP與DVI接口在4K顯示器上疊加顯示的電路功能圖。

圖2　DP與DVI接口在4K顯示器上疊加顯示的電路功能圖

設(shè)計(jì)中考慮到，單片STDP9320最大驅(qū)動(dòng)顯示屏分辯率為2560×1600，顯示屏的分辯率為3840×2160，因此需要兩塊視頻處理芯片STDP9320才可驅(qū)動(dòng)4K顯示屏。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求輸入DVI視頻信號(hào)最小分辯率1024×768，DVI信號(hào)需在顯示屏上、下、左、右四個(gè)角部疊加顯示，結(jié)合4K顯示屏4個(gè)分區(qū)像素劃分，DVI信號(hào)單一疊加顯示區(qū)間將會(huì)跨越顯示屏的兩個(gè)區(qū)域，設(shè)計(jì)中將4K顯示器分成左右兩個(gè)相同顯示部分，每個(gè)顯示部分為1920×2160像素，每個(gè)視頻處理芯片驅(qū)動(dòng)一個(gè)顯示部分（分辯率1920×2160），如圖2中所示的電路功能圖所示，輸入DVI視頻信通過DVI均衡器電路后，分別進(jìn)入兩個(gè)視頻處理芯片STDP9320后疊加顯示，如此設(shè)計(jì)可支持最大1080P的DVI視頻信號(hào)疊加顯示。采用此視頻分區(qū)驅(qū)動(dòng)方法，可以簡化軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)減少對(duì)視頻芯片、高速電路設(shè)計(jì)的硬件要求。DVI均衡器電路能夠支持DVI長線傳輸，存儲(chǔ)器電路提供視頻芯片數(shù)據(jù)暫存，完成視頻信號(hào)處理。

2　關(guān)鍵硬件電路設(shè)計(jì)

2.1DVI均衡器電路設(shè)計(jì)

DVI視頻信號(hào)輸入到電路中疊加顯示，如果視頻電路對(duì)輸入視頻信號(hào)的適應(yīng)性不好，顯示器就會(huì)出現(xiàn)DVI視頻畫面不穩(wěn)定、畫面有雜點(diǎn)和水波紋等問題，嚴(yán)重的出現(xiàn)畫面無顯示，影響正常使用。因此視頻電路對(duì)DVI視頻信號(hào)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)尤為重要。

就數(shù)字信號(hào)DVI來說，DVI信號(hào)最初用來在短距離上傳輸視頻和數(shù)據(jù)，其中電纜損耗的影響可以忽略。但是在工業(yè)級(jí)或特定領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，很多應(yīng)用要求采用更長的電纜，五米到十米甚至更長，由于顯示分辨率、刷新速率和顏色深度的持續(xù)增加，所需的數(shù)據(jù)速率也隨之增加。因此DVI長距離傳輸就會(huì)造成信號(hào)的劣化，出現(xiàn)衰減、抖動(dòng)、偏移和串?dāng)_等信號(hào)問題，限制從源端到顯示端之間的連接距離，出現(xiàn)屏幕閃光、噪聲閃爍和音頻失真。

實(shí)際使用過程中，非常規(guī)DVI標(biāo)準(zhǔn)接口（如使用航插等）的長距離傳輸，會(huì)造成高分辨率（比如1600x1200）DVI信號(hào)的閃爍、噪點(diǎn)等故障，通過軟、硬件均衡處理可支持高分辨率DVI信號(hào)長距離傳輸。硬件上采用DVI均衡芯片DS16EV5110對(duì)DVI信號(hào)做均衡處理，軟件上配置TMDS均衡相關(guān)寄存器，編寫硬件自動(dòng)均衡代碼，反復(fù)校驗(yàn)與修正，可使DVI信號(hào)在輸入時(shí)能夠保持穩(wěn)定且不丟失數(shù)據(jù)。圖3左圖為加均衡器之前眼圖很混亂，而圖3右圖為加均衡器之后眼圖很清晰，DVI信號(hào)得到補(bǔ)償和修正。

圖3　加均衡器前后眼圖的對(duì)比

DS16EV5110在設(shè)計(jì)中作為高通濾波器電纜均衡器，可有效地重新打開差分信號(hào)的眼圖，DVI信號(hào)增益曲線與電纜的衰減曲線成反比，其它特性還包括使用SMBus接口（類似于I2C總線接口）或者3引腳外置接口（BST1/2/3）可編程八種級(jí)別的均衡增益。

信號(hào)的總體抖動(dòng)（Tj）是由確定性抖動(dòng)（Dj）和隨即抖動(dòng)（Rj）組成，使用DS16EV5110的增益曲線來匹配電纜在工作頻率上地發(fā)送損耗地負(fù)效應(yīng)，以此抵消確定性損耗（Dj），因?yàn)殡S機(jī)損耗（Rj）也非常重要，在設(shè)計(jì)DS16EV5110電路時(shí)必須使其具有合適的增益、帶寬等綜合性能，一般用3ps rms來提供優(yōu)化整體性能。

DS16EV5110硬件原理圖如圖4所示：

圖4　DS16EV5110硬件原理圖

因?yàn)殡娎|衰減隨頻率增高而增加，應(yīng)將均衡器的增益設(shè)定在可支持的最高分辨率上。表1列出了一些通用分辨率和與均衡增益相關(guān)的頻率，該頻率為數(shù)據(jù)速率的一半，由最差模式下1010數(shù)據(jù)模式產(chǎn)生。

表1　與TMDS數(shù)據(jù)速率和均衡頻率相關(guān)的常用分辨率

使用SMBus接口或使用提供的三種外置引腳來配置增益設(shè)定，EQ增益控制表如表2所示：表1為對(duì)應(yīng)三種關(guān)鍵分辨率的均衡器增益，可以看出DS16EV5110的增益曲線斜率根據(jù)分辨率而變化，來自動(dòng)提供較低的增益。在DVI視頻通路上加上DS16EV5110可以均衡確定性抖動(dòng)和衰減，并不會(huì)對(duì)來自噪聲輸入的擾動(dòng)和隨機(jī)尖峰作補(bǔ)償。

表2　EQ增益控制表

2.2STDP9320視頻處理器電路設(shè)計(jì)

如上文所述，驅(qū)動(dòng)4K分辯率顯示器需要兩塊STDP9320視頻處理器并聯(lián)配合，無論輸入的DVI視頻信號(hào)，還是DP視頻信號(hào)經(jīng)過前級(jí)處理后，分別接入到兩塊STDP9320視頻處理器中，通過STDP9320視頻處理內(nèi)部驅(qū)動(dòng)程序，完成DVI和DP視頻信號(hào)疊加顯示。

STDP9320視頻處理器對(duì)外輸出視頻LVDS接口共有4路，為簡化設(shè)計(jì)難度，減少后續(xù)視頻處理器驅(qū)動(dòng)軟件編寫難度，一塊STDP9320視頻處理器輸出LVDS端1/2驅(qū)動(dòng)4K顯示屏左半部分，另一塊STDP9320視頻處理器輸出LVDS端口3/4驅(qū)動(dòng)4K顯示屏右半部分，如圖5所示視頻處理器輸出LVDS端口驅(qū)動(dòng)4K顯示屏示意圖。

圖5　視頻處理器輸出LVDS端口驅(qū)動(dòng)4K顯示屏示意圖

通過圖5所示，視頻處理器輸出LVDS端口驅(qū)動(dòng)4K顯示屏示意圖，DVI在左半和右半部分顯示分別由一塊視頻處理器STDP9320完成，DVI輸入視頻分辨率能夠到達(dá)1080P，避免了DVI視頻信號(hào)跨區(qū)間顯示難度。

兩塊STDP9320視頻處理器在電路中，分成主從配置結(jié)構(gòu)，采用I2C總線交換數(shù)據(jù)完成主從設(shè)備通訊，協(xié)調(diào)DVI視頻信號(hào)疊加顯示位置、視頻處理器輸出LVDS端口開關(guān)設(shè)置等。

視頻處理器具有較高頻數(shù)字電路，因此設(shè)計(jì)中需要注意PCB板的高頻設(shè)計(jì)，恰當(dāng)?shù)牟季植季€和安裝來實(shí)現(xiàn)PCB的高頻阻抗匹配設(shè)計(jì)。采用緊密交織的電源和地柵格；電源線緊靠地線，在垂直和水平線和填充區(qū)之間，盡可能多地連接；I/O電路盡可能靠近對(duì)應(yīng)的連接器；對(duì)易受ESD影響的電路，放在靠近電路中心的區(qū)域，這樣高頻電路可以提供一定的高頻阻抗匹配。PCB設(shè)計(jì)中需保證信號(hào)線盡可能短。信號(hào)線的長度過長（比如大于300mm）時(shí)，平行布一條地線；確保信號(hào)線和相應(yīng)回路之間的環(huán)路面積盡可能小。對(duì)于長信號(hào)線每隔幾厘米調(diào)換信號(hào)線和地線的位置來減小環(huán)路面積。確保電源和地之間的環(huán)路面積盡可能小，提高高頻電路阻抗匹配。

3　處理器驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

在視頻處理器軟件設(shè)計(jì)中，主要需要完成4K顯示屏輸出LVDS驅(qū)動(dòng)、輸入視頻信號(hào)選擇、多路視頻信號(hào)疊加顯示等功能，相應(yīng)的軟件需按照STDP9320內(nèi)部寄存器設(shè)置流程和數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行編程驅(qū)動(dòng)即可。主視頻處理器STDP9320還根據(jù)使用環(huán)境配置DVI均衡器電路，配置核心代碼和函數(shù)構(gòu)架如下：

變 量ucPanelSelect讀 取 分 辨 率， 然 后 加 載tDVI_EDID_ DATA_1280x1024［ ］數(shù)組里128個(gè)字節(jié)EDID數(shù)據(jù)，通過DDC通道將其傳輸?shù)揭曨l處理器芯片RAM里，完成外部輸入DVI視頻信號(hào)讀取和DDC數(shù)據(jù)獲取工作。

4　結(jié)論

上述DP與DVI接口在4K顯示器上疊加顯示電路以STDP9320為主，通過兩塊STDP9320電路芯片主從配合和合理分配輸出LVDS端口實(shí)現(xiàn)疊加顯示，電路設(shè)計(jì)和架構(gòu)較簡潔。圖6左半部分為本單位設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的DP與DVI接口疊加顯示電路板，圖6右半部分為電路測試效果圖，從電路系統(tǒng)測試效果圖看，本電路在視頻疊加顯示、高清顯示等方面具有一定的使用價(jià)值。

圖6　視頻疊加顯示電路板（左）和測試效果圖（右）

［1］ST半導(dǎo)體有限公司.STDP9320 3D功能高清多媒體監(jiān)視器視頻控制器數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.ST半導(dǎo)體有限公司，2012.

［2］TI半導(dǎo)體有限公司.DS16EV5110 DVI均衡器數(shù)據(jù)手冊(cè)［Z］.TI半導(dǎo)體有限公司，2008.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.131

金永明（1972-），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事加固顯示器相關(guān)設(shè)計(jì)工作。