橋接集成電路——適用于任何設備的圖像 和視頻傳輸轉換器

越來越多的設備都配備顯示器，包括冰箱、智能手表和汽車。用戶期望在任何介質上都能夠以零抖動的方式實現(xiàn)清晰的播放。即使采用不同的標準，也可以使用橋接集成電路（IC）來做到這一點。

低壓差分信號技術（LVDS）是快速傳輸大量數(shù)據(jù)最知名的差分方法，傳輸速率高達每秒數(shù)Gbit，因而可以處理圖像和視頻內(nèi)容。LVDS 技術是National Semiconductor（編者注：已被TI 收購）開發(fā)的，美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）將其標準化為EIA-644 規(guī)范。這是許多IC 供應商都在使用的自由開放的標準規(guī)范。

LVDS 是一項高效節(jié)能的單向連接技術，該技術使用兩條銅纜之間的電壓差來傳輸信息。LVDS 發(fā)送器基于四個串行差分線對之上的輸入時鐘，對多達24位數(shù)據(jù)進行編碼（見圖1），終止電阻可防止信號反射回信號源。

由于LVDS 可在3.3 V 以下的低電壓下工作，因而所需的電流極少，并且僅產(chǎn)生較小的電磁干擾。差分工作方式消除了產(chǎn)生電磁波的共模電壓。LVDS 僅描述物理級別；以LVDS 為基礎，出現(xiàn)了其他幾種通信標準，包括FPD-Link（平板顯示器）、FPD-Link II 和III、MIPI（移動行業(yè)處理器接口）和DVP（數(shù)字視頻端口）。

1   帶有FPD-Link的LVDS

當我們談論LVDS 時，通常指的是FPD 結構LVDS。FPD-Link 是National Semiconductor 連同LVDS 一起開發(fā)的，至今仍是筆記本電腦、平板電腦或LCD 電視及其顯示器之間傳輸圖形和視頻數(shù)據(jù)的標準。

FPD-Link 芯片組由支持18 位和24 位彩色顯示屏的發(fā)送器（TTL 到LVDS） 和接收器（LVDS 到TTL）組成。在TTL 級別，將來自圖形控制器的RGB數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)紽PD-Link 發(fā)送器的輸入。它充當并行TTL 數(shù)據(jù)的多路復用器（mux），并將其轉換為串行LVDS 標準數(shù)據(jù)。LVDS 數(shù)據(jù)通過將主板連接到顯示器的線纜發(fā)送到發(fā)送器。在顯示屏的FPDLink接收器上，它們經(jīng)過反序列化（解復用）操作，這意味著LVDS 信號數(shù)據(jù)轉換回到TTL 信號格式，并發(fā)送到時序控制器的輸入。通過多路并行TTL 信號的復用操作，允許通過窄帶接口傳輸更高速率數(shù)據(jù)。這樣，還可以滿足高帶寬通信的要求。

圖2 顯示了具有4 根LVDS 線對的FPD-Link 結構。4 根電纜中的3 根用于傳輸圖形和視頻信號，而第4 根電纜用于傳輸LVDS時鐘信號。多路復用器電路將并行的圖形和視頻信號串行化，并通過差分對進行傳輸。因此，與需要22 根電纜的其他方案相比，這個方案僅需要3 根電纜，并且改善了電磁兼容性。

FPD-Link 芯片組具有下降沿和上升沿，以及可編程的數(shù)據(jù)導入功能，可提供配合各種圖形和LCD 面板控制器的便捷接口。5 V或3.3 V芯片組支持（20~65）MHz 頻率范圍。

2   MIPI

MIPI 聯(lián)盟已經(jīng)規(guī)定了移動網(wǎng)絡設備中的六種類型接口：物理層、多媒體、芯片對芯片或進程間通信、設備控制和數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)調試以及軟件集成。每個規(guī)范都滿足這些設備的最重要要求：低能耗、高帶寬和低電磁干擾。

顯示器串行接口（DSI）和DSI-2 是1 個或多個顯示器與應用處理器之間的MIPI 接口。它們定義了串行總線和通信協(xié)議，用于主機、圖像數(shù)據(jù)源和目標應用之間的數(shù)據(jù)傳輸。它們的開發(fā)目的是為移動設備（如智能手機、筆記本電腦和平板電腦、可穿戴設備、增強現(xiàn)實應用和車輛儀表板）實現(xiàn)低成本的顯示控制器。

在物理層，DSI 規(guī)定了串行點對點高速差分信號總線。它包含一個高速時鐘通道和一個或幾個數(shù)據(jù)通道。由于使用差分信號，每個通道覆蓋兩條線纜。除第一個數(shù)據(jù)通道（通道0）之外，所有通道都從DSI主機運行到DSI 設備。它具有總線翻轉操作（BTA）能力，可以使傳輸方向反轉。當使用多個通道時，它們并行傳輸數(shù)據(jù)，因此當使用4 個通道時，可以同時傳輸4 位數(shù)據(jù)。

這項連接可在低功耗模式或高速模式下運行，能夠以最低的延遲完成兩種模式之間的轉換。在低功耗模式下，最大速率時鐘被禁用，信號時鐘信息被嵌入到數(shù)據(jù)中。數(shù)據(jù)速率不足以控制顯示，但可以用于發(fā)送配置信息和命令。

在高速模式下，高速時鐘信號用于數(shù)十兆赫茲至幾千兆赫茲頻率范圍，作為數(shù)據(jù)通道的位時鐘。時鐘速率取決于顯示器的要求。由于信號輸出只需要低電壓，且數(shù)據(jù)可以并行傳輸，因此，可以使用最小的功率運行高速模式。

4   其他DSI層

在通道管理方面，發(fā)送器根據(jù)帶寬要求將發(fā)送的數(shù)據(jù)分布在4 個通道中的1 個或幾個上。對于映射（確定在哪個通道上傳輸哪個位數(shù)據(jù)的方法），視頻電子標準協(xié)會（VESA）和日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會（JEIDA）已經(jīng)建立了成熟的標準。

低層協(xié)議層定義了如何將位和字節(jié)數(shù)據(jù)組織為數(shù)據(jù)包，以及哪些位構成報頭和有效負荷。這也是執(zhí)行錯誤檢查操作的地方。在應用級別，來自下一層的數(shù)據(jù)最終會轉換為像素或命令。

5   LVDS對比MIPI DSI

比較LVDS 和MIPI DSI，兩者僅有1 個共同點：都使用4 個通道。然而，LVDS 僅傳輸視頻/ 圖像信號，使用標準面板工作組（SPWG）或JEIDA 標準將RGB-TTL 信號轉換為LVDS 信號。另一方面，MIPIDSI 不僅可以傳輸視頻/ 圖像數(shù)據(jù)，還可以傳輸命令信號。MIPI DSI 也可以根據(jù)特定的握手序列和規(guī)則來控制兩種信號。

6   DSI和LVDS之間的橋梁

如果應用過程不支持其中一種標準或者沒有足夠的通道來連接顯示模塊，則可以使用橋接IC 在處理器的視頻輸出與顯示模塊、攝像頭或其他外圍設備顯示器的輸入之間創(chuàng)建相應的接口。這樣就可以將應用進程連接到各個顯示器，而不必重新開發(fā)整個系統(tǒng)。

東芝公司提供一系列橋接集成電路（IC）產(chǎn)品，它們適用于消費類、工業(yè)和汽車應用，例如智能手表、平板電腦、超級本電腦、4K UHD 顯示器、智能電視、可穿戴設備、攝像頭、游戲配件、頭戴式顯示器（HDM）、LCD、I/O 端口擴展和POS 應用。

DSI-LVDS 橋接IC 能夠通過DSI 鏈接來控制LVDS 兼容顯示器，這些顯示器支持24 位像素分辨率。TC358771XBG 和TC358774XBG 型號在DSI SingleLink 上支持分辨率為1 600×1 200 像素的經(jīng)典4 ∶ 3（UXGA，超擴展圖形陣列）顯示。TC358772XBG和TC358775XBG 型號則支持WUXGA（寬超擴展圖形陣列），可通過DSI Dual Link 進行16 ∶ 10 格式、1 920×1 200 像素分辨率顯示。橋接IC 還支持由DSI鏈路控制的I2C 主設備，用作與其他控制功能連接的I2C 接口。

這些橋接IC 使用LVDS 標準在135 MHz 下工作，而在DSI 標準中，其每條通道的傳輸速率最高為1 Gbit/s，支持視頻輸入格式RGB565/666/888。通過基于環(huán)境光來優(yōu)化LCD 顯示器的背光照明，這些橋接IC 可以幫助減少移動設備的功耗。

7   結論

對于不支持DSI 的設計，開發(fā)人員可以通過東芝橋接IC 等產(chǎn)品利用DSI 的優(yōu)勢（低功耗、低像素數(shù)據(jù)速率和低組件成本），從而在這個迅速發(fā)展的市場中獲得他們需要的靈活性優(yōu)勢。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）