汽車顯示器接口設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

　　IMS Research的調(diào)查顯示，帶有視頻功能的汽車音響主機(jī)的數(shù)量將會(huì)由2006年的850萬臺(tái)增長(zhǎng)到2015年的2660萬臺(tái)。為了既能向駕駛員提供信息，又不分散其注意力，顯示器需要安裝在遠(yuǎn)離汽車音響主機(jī)的位置，并將畫面投影到擋風(fēng)玻璃的背面。這種結(jié)合了圖像源和面板的視頻接口正在越來越多地從模擬視頻技術(shù)轉(zhuǎn)向質(zhì)量更高的RGB(紅綠藍(lán))數(shù)字視頻格式，后者已成為L(zhǎng)CD顯示器中使用的標(biāo)準(zhǔn)接口。前端顯示應(yīng)用的電纜長(zhǎng)度通常保持在1到3米的范圍內(nèi)，而后座娛樂(RSE)單元的電纜則需要達(dá)到8米甚至更長(zhǎng)。這種連接支持千兆位/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)的波特率，并可以利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行器/解串器(SerDes)解決方案完美實(shí)現(xiàn)。與傳輸一路較寬的并行視頻總線相比，這種芯片組大大降低了傳輸線和連接器的引腳數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了出眾的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

　　為滿足汽車顯示器接口方面的嚴(yán)苛要求，比如高數(shù)據(jù)吞吐量、超薄布線、高級(jí)信號(hào)調(diào)節(jié)、可檢測(cè)性以及超低EMI(電磁干擾)等。美國國家半導(dǎo)體(NS)公司開發(fā)出DS90UR905/6 和DS90UR907/8 SerDes芯片組，該產(chǎn)品是能將分辨率從QVGA(400 x 240)擴(kuò)展到24位色深的XGA(1024 x 768)的嵌入式時(shí)鐘SerDes解決方案。寬范圍的像素時(shí)鐘頻率使汽車制造商只需在其整個(gè)車型系列中采用一個(gè)數(shù)字視頻顯示接口方案，即可覆蓋從雙畫面的小儀表盤面板、中控臺(tái)的LCD到更大尺寸的RSE顯示器應(yīng)用。

　　視頻應(yīng)用和SerDes概念

　　SerDes組件的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域是平板顯示器鏈路接口，它可以通過一根較長(zhǎng)的串行電纜把圖像主機(jī)與顯示器連接起來。典型的例子包括：中央信息顯示器(CID)、儀表盤、頭枕上的娛樂顯示器或?yàn)楹笞丝蜏?zhǔn)備的車頂下降式顯示模塊，如圖1所示。這些新型芯片組是NS推出的"FPD-Link II"系列產(chǎn)品中的一組，它們可以將一個(gè)視頻源的27位數(shù)字RGB色彩信息和時(shí)間控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)嵌入了時(shí)鐘信息的單一串行數(shù)據(jù)流在雙絞線上傳輸。芯片組在I/O(輸入/輸出)層采用高速的差分信號(hào)，也就是說，在"真"(正)端子上傳輸實(shí)際信號(hào)的同時(shí)，"互補(bǔ)"(負(fù))端子上傳輸與之對(duì)應(yīng)的相反極性信號(hào)。

　　圖2在系統(tǒng)層面上描述了視頻傳輸?shù)母拍?。除了顏色和時(shí)序位外，還有一個(gè)可選的I2C控制接口，它可替代通過常規(guī)引腳帶選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)的組件配置。芯片組支持18bpp(每像素位)或24bpp的色深。彩色顯示器使用3個(gè)子像素(紅、綠、藍(lán))來定義一個(gè)單獨(dú)的像素。由于每個(gè)像素有18位(6位紅，6位綠和6位藍(lán))，我們可以得到26.2萬種顏色。大多數(shù)人的眼睛可以看到1000萬種以上的顏色，這也就解釋了為什么使用24bpp已成為趨勢(shì)：它能提供超過1600萬種顏色，可實(shí)現(xiàn)更豐富的用戶體驗(yàn)和平滑的顏色梯度。像素時(shí)鐘范圍現(xiàn)已極寬：頻率可從5MHz 到65MHz,這使得串行鏈路速率從140Mbps提高到1.82Gbps，涵蓋了汽車顯示器的全部主流分辨率。

　　并行LVCMOS輸入和輸出信號(hào)可以分別靈活地對(duì)準(zhǔn)同步發(fā)射器輸入及接收器恢復(fù)輸出時(shí)鐘(PCLK)的上升沿或下降沿，這一特性大大簡(jiǎn)化了串行器至圖像控制器以及解串器至LCD計(jì)時(shí)控制器的接口連接。在發(fā)射器并行時(shí)鐘周圍的一定頻段內(nèi)，SerDes芯片組在"預(yù)同步"接收器的PLL時(shí)無需外部參考時(shí)鐘(石英或振蕩器)。甚至在一切可能的隨機(jī)數(shù)據(jù)模式傳輸過程中該同步都能得到保證，這被稱為"隨機(jī)數(shù)據(jù)鎖定"特性。這不僅節(jié)省了參考組件系統(tǒng)的成本，而且消除了另一個(gè)潛在的電磁干擾源。該性能還可以實(shí)現(xiàn)"熱插拔"，即在不需要任何特殊排序或訓(xùn)練模式的情況下，就可以對(duì)送往解串器的串行數(shù)據(jù)流執(zhí)行斷言/取消斷言操作。

　　一旦接收器PLL鎖定在發(fā)射器的頻率下，即可由LOCK輸出標(biāo)志引腳顯示這一狀態(tài)，確保接收器輸出的數(shù)據(jù)完整性。DS90UR907/8芯片組具有DS90UR905/6芯片組的一切特性，兩耳區(qū)別在于輸入輸出不再是發(fā)送LVCMOS信號(hào)的并行總線，而是遵照開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"FPD-Link"。很多現(xiàn)代化的圖像控制器、顯示定時(shí)控制器、ASIC和FPGA都支持這種"一級(jí)串行化"技術(shù)，它采用適合18bpp的3個(gè)數(shù)據(jù)通道，或者適合24bpp的4個(gè)數(shù)據(jù)通道，每一個(gè)都有一路并行時(shí)鐘通道。電信號(hào)的發(fā)送遵循開放的ANSI/TIA/EIA-644A標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)又稱作"LVDS"(低壓差分信號(hào)傳輸)。使用該接口技術(shù)代替常規(guī)LVCMOS的優(yōu)勢(shì)在于：采用差分信號(hào)可降低電磁干擾，并減少組件的引腳數(shù)量，如圖3所示。

　　圖3 FPD-Link系統(tǒng)接口選項(xiàng)的優(yōu)勢(shì)

　　FPD-Link II有效負(fù)載

　　在每一個(gè)像素時(shí)鐘周期內(nèi)，28個(gè)"次符號(hào)"在差分I/O上經(jīng)過時(shí)分多路復(fù)用，轉(zhuǎn)換成一個(gè)串行數(shù)據(jù)流。嵌入的有效負(fù)載包含24個(gè)顏色位、3個(gè)定時(shí)信號(hào)(水平同步-HS、垂直同步-VS和數(shù)據(jù)使能-DE)以及附加位?；ミB線路速率為28x像素時(shí)鐘。在65MHz下，該速率轉(zhuǎn)化為1.82Gbps。串行數(shù)據(jù)流由前端的"CLK1"HIGH 位和末尾的"CLK0"LOW位限定，由此可在每一個(gè)幀之間實(shí)現(xiàn)高低電平的平穩(wěn)過渡，令串行器的PLL可以參照其進(jìn)行同步并提取嵌入的時(shí)鐘信息。兩個(gè)附加位("DCA"和"DCB"位)位于每一個(gè)幀中間，它們包括嵌入在DCA 和 DCB位過渡過程的定時(shí)信號(hào)。有效負(fù)載位為了降低諧波電磁干擾和改善信號(hào)質(zhì)量，經(jīng)過了隨機(jī)化、平衡和加擾處理，同時(shí)為交流耦合建立了直流平衡。

　　由于電纜連接越長(zhǎng)，發(fā)射器和接收器模塊之間越有可能出現(xiàn)接地電位漂移，交流耦合接口方案則可通過在傳輸線中采用串聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)電勢(shì)解耦。串行器中的直流平衡編碼器和相應(yīng)的解串器中的直流平衡解碼器可在串行鏈路上實(shí)現(xiàn)高低位之間的均勻分布，以防止ISI(符號(hào)間干擾)效應(yīng)和由電容引起的靜態(tài)模式的阻塞。通過在兩端配置電容，該方案也可以在電纜損壞或者對(duì)地或板上凈電壓出現(xiàn)短路時(shí)提供輸入/輸出短路保護(hù)。隨機(jī)化和不規(guī)則性不僅能保證良好的眼圖開度，同時(shí)還能最小化互聯(lián)線路的電磁干擾，總體來說其編碼效率高于85%。

　　增強(qiáng)的信號(hào)調(diào)理能力

　　信號(hào)調(diào)理技術(shù)在推動(dòng)長(zhǎng)距離高速連接方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，在串行器端采用了信號(hào)還原特性，圖4是一個(gè)信號(hào)還原操作的例子。這一串轉(zhuǎn)換的比特流，依次為0、1、000和1，圖形頂部給出了單端(SE)波形，可以在真值和輸出端子處相對(duì)于地電位進(jìn)行測(cè)量。圖形底部給出了差分(DIFF)信號(hào)，相當(dāng)于在其端子范圍內(nèi)接收器輸入端的差分電壓擺幅。對(duì)于第一次轉(zhuǎn)換，發(fā)送的第一個(gè)信號(hào)是0，形成全差分?jǐn)[幅。下一次轉(zhuǎn)換是一個(gè)1，同樣是全電壓擺幅。接下來在C、D和E時(shí)間幀中是一系列0，其中第一個(gè)0是全電壓擺幅。隨著之后時(shí)隙D和E中第二個(gè)和第三個(gè)0的到來，幅值將會(huì)下降，表示被信號(hào)"還原"了。因此電纜中的靜電荷將受到限制，否則它將會(huì)隨著時(shí)間增強(qiáng)。這使得在時(shí)隙F發(fā)送的末位1又形成全差分?jǐn)[幅。信號(hào)還原特性通常是在傳輸線路中平衡高低頻信號(hào)的內(nèi)能?？傮w效果就是清晰的信號(hào)眼圖張開，在由1或0組成的長(zhǎng)序列之后是以一個(gè)單獨(dú)的比特位轉(zhuǎn)換。信號(hào)還原層是可編程的，以便為特定電纜媒介調(diào)整至最佳補(bǔ)償水平。

　　此外，信號(hào)還原特性在可調(diào)差分輸出電壓(Vod)方面有不錯(cuò)的效果，即它可以使長(zhǎng)電纜傳輸?shù)牟罘州敵鲭妷?Vod)加倍。信號(hào)還原不需要大幅降低接收器輸入的信號(hào)幅度就能做到信號(hào)恢復(fù)。解串器的輸入端集成了一個(gè)電纜均衡器，在再生全部信號(hào)波形時(shí)，此功能相對(duì)輸入信號(hào)而言等同一個(gè)高通濾波器，可以部分消除由傳輸媒介引起的低通濾波器效應(yīng)。均衡器在1.5dB到12dB的增益之間具有可編程性。當(dāng)然，所有增強(qiáng)的信號(hào)處理特性也可以協(xié)調(diào)使用，為長(zhǎng)電纜傳輸中的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)恢復(fù)建立足夠的眼圖開度。

　　擴(kuò)頻時(shí)鐘

　　解串器通過一塊集成可配置的擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC)生成器得到增強(qiáng)。在接收器輸出總線端，這會(huì)導(dǎo)致輸出時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)頻譜隨著時(shí)間推移而以幾十KHz的低調(diào)制率產(chǎn)生輕微變化。如圖5所示，頻率變化可以發(fā)生在名義像素時(shí)鐘中心頻率附近("中心擴(kuò)頻調(diào)制")，或朝向更低的頻率("向下擴(kuò)頻調(diào)制")。頻譜擴(kuò)展百分比可高達(dá)±2%。擴(kuò)頻時(shí)鐘將峰值能量分散在更寬的頻譜范圍內(nèi)，從而大大降低了電磁干擾噪聲水平，而不是在同一時(shí)間點(diǎn)上、以恒定頻率來轉(zhuǎn)換所有輸出，此時(shí)的輻射噪聲集中在一個(gè)窄頻段內(nèi)，所有輸出數(shù)據(jù)都與輸出時(shí)鐘同步，這使得數(shù)據(jù)和時(shí)鐘得到有效擴(kuò)展。特別是DS90UR906接收器輸出具有低壓(LV)CMOS接口選項(xiàng)，可以大大降低電磁輻射。

　　增強(qiáng)的診斷能力

　　另一個(gè)特性是內(nèi)建自測(cè)試(BIST)功能。在這種模式下，發(fā)射器發(fā)送偽隨機(jī)碼序(PRBS)。接收器內(nèi)部產(chǎn)生同樣的序列，并與接收的位模式進(jìn)行比較。為了在整體測(cè)試時(shí)間和需要驗(yàn)證的最低比特誤碼率之間找到最佳折衷方案，用戶可以控制BIST的持續(xù)時(shí)間。在遇到有誤碼的有效負(fù)載時(shí)，PASS引腳會(huì)以時(shí)鐘方式進(jìn)行切換。PASS引腳存放BERT(誤碼率測(cè)試)的最終結(jié)果。如果測(cè)試失敗，說明出現(xiàn)了一個(gè)或多個(gè)負(fù)載錯(cuò)誤;如果測(cè)試通過，說明PRBS序列的傳播和接收均無差錯(cuò)。在鏈路遠(yuǎn)端，BIST無需任何數(shù)據(jù)發(fā)生器、數(shù)據(jù)記錄或測(cè)量系統(tǒng)。汽車生產(chǎn)商可使用BIST模式來測(cè)試系統(tǒng)和檢查鏈路運(yùn)行。它還可以用作系統(tǒng)開發(fā)階段的試驗(yàn)臺(tái)，在沒有視頻源的情況下向整個(gè)鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)僅在發(fā)射器上施加時(shí)鐘信號(hào)。在服務(wù)或故障排除階段，可利用系統(tǒng)測(cè)試來驗(yàn)證鏈路正常工作，以此在主機(jī)或顯示端上鎖定問題范圍。最終當(dāng)汽車啟動(dòng)后，顯示接口可進(jìn)行例行檢查并驗(yàn)證連接性。

　　更多增強(qiáng)功能

　　更多增強(qiáng)功能包括集成的終端電阻，它降低了電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使成本更低，板極空間更小。解串器的輸入端提供了一個(gè)終端共模濾波器引腳。建議用戶將共模引腳通過電容接地以確保穩(wěn)定，并保證頻率濾除共模電壓。這將減少對(duì)外界的電磁輻射水平，同時(shí)可以提高對(duì)外界噪聲源的抵抗能力。通常通過大電流注入(BCI)測(cè)試對(duì)數(shù)字視頻鏈路對(duì)外部干擾的抵抗能力進(jìn)行研究，利用電感將高達(dá)300mA的側(cè)電流調(diào)制到電纜屏蔽罩上。I/O 庫通過VDDIO供電，1.8V或3.3V均可。這樣的靈活性可以利用低接口電平的優(yōu)勢(shì)，并提供與下游器件的兼容性。

　　一般來說，當(dāng)在1.8V電壓下操作組件時(shí)，電磁干擾水平也隨之降低。斷電情況下，解串器的輸出電壓狀態(tài)可以設(shè)置為三態(tài)(高阻)或低阻。像素時(shí)鐘(PCLK)狀態(tài)也可設(shè)置為三態(tài)或低阻，以選擇停止內(nèi)部振蕩器。在后者的情況下，無論是否有輸入信號(hào)，時(shí)鐘輸出會(huì)一直存在。當(dāng)接口僅與短距離的輕負(fù)載總線連接時(shí)，接收器驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度(RDS)特性可以最小化輸出總線的電流消耗，減慢輸出邊緣轉(zhuǎn)換率并最終降低電磁干擾。芯片組支持-40℃ 到 +105℃的超寬溫度范圍，可適用于不同工作環(huán)境下的各種汽車電子系統(tǒng)。這些芯片組采用LLP封裝，占用的空間很小，并通過了RoHS認(rèn)證和AEC-Q100 Grade 2標(biāo)準(zhǔn)的全面汽車應(yīng)用認(rèn)證。

　　本文小結(jié)

　　新型DS90UR905/6 和DS90UR907/8 FPD-Link II型芯片組具有許多系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和增強(qiáng)特性。并行視頻總線通過一個(gè)嵌入式時(shí)鐘串行化到一個(gè)單組中，這降低了系統(tǒng)成本，消除了時(shí)鐘/數(shù)據(jù)偏斜問題，減少了噪聲，并將鏈路延伸至遠(yuǎn)途電纜距離。芯片組支持從QWVGA到24位色深XGA的所有普通汽車LCD分辨率。為了促進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、合格審定和批準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員能將更多注意力集中到如何降低EMI的特性上。這樣可以在不犧牲可靠性的情況下盡可能降低防護(hù)要求的成本。診斷BIST模式有利于工廠測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，對(duì)故障排除的測(cè)試和診斷也有益處。作為FPD-Link II系列產(chǎn)品中的第三代芯片組，其組件基于已驗(yàn)證和可信賴的IP協(xié)議，并且與前幾代芯片組后向兼容。FPD-Link II芯片組系列代表了針對(duì)汽車行業(yè)進(jìn)行優(yōu)化并支持真正即插即用的方案，因?yàn)樗c低密度線路結(jié)合使用時(shí)不影響性能，且?guī)捀?、功耗低、低EMI、耐用并可實(shí)現(xiàn)自主鏈路同步。