基于HDMI開關PS321的應用設計

隨著消費類電子功能需求的增加，HDMI作為新一代的數(shù)字音視頻接口越來越多的應用到消費類電子產品上。帶HDMI功能的電子產品大量問世，HDMI的接口數(shù)量也隨之增加。數(shù)字電視作為音視頻表現(xiàn)的一種載體，其HDMI接口的應用主要作為數(shù)字音視頻數(shù)據(jù)的接收端。為了能使數(shù)字電視連接更多的HDMI設備，許多集成電路設計公司都適時推出了三選一或四選一的HDMI開關，用于滿足HDMI接收端多接口的需求。本文主要介紹基于Parade公司的一款三選一HDMI開關PS321的應用設計。

硬件設計
1 芯片選型
PS321作為一款三選一的HDMI開關，與其他廠商相類似的產品相比較具有較多優(yōu)勢。將PS321與另一款通用的三選一HDMI開關進行比對，結果如表1所示。

從以上比對中可以看出PS321具有以下優(yōu)勢。

● 在數(shù)據(jù)傳輸率、HDMI線傳輸距離、節(jié)能以及ESD（防靜電）方面具有優(yōu)勢；

● 支持I2C控制，方便設計者使用；

● 內置EDID緩存，無須在HDMI接口上外加用來存儲EDID數(shù)據(jù)的E2PROM，從而降低電路成本；

● 內置均衡器，可調節(jié)增益，用來彌補HDMI信號在線路上的傳輸損失。

2 電路設計
①DDC接口電路設計
DDC（顯示數(shù)據(jù)通道）主要用于HDMI源端設備（Source）與接收端設備（Sink）之間進行EDID數(shù)據(jù)及HDCP密鑰的交流。通過EDID交流，源端設備可以了解到接收端設備音視頻的接收能力；通過HDCP Key的交流，可以實時的進行數(shù)據(jù)流的內容保護認證，從而達到數(shù)據(jù)內容保護的目的。DDC的電路方式與I2C電路相同，因此在DDC電路設計中，設計者要考慮到DDC線路的電平。按照HDMI 1.3a規(guī)范，HDMI源端DDC的上拉電阻最小為1.5kΩ，考慮到HDMI認證中DDC電平的要求（在 4.5～5.5V之間），將DDC信號均通過10kΩ的電阻上拉到HDMI接口的第18引腳（HDMI源端5V電源），如圖1所示。經計算，源端與接收端的DDC總上拉電阻的最小值為R總上拉min =1.5kΩ‖10kΩ=1.3kΩ。經測試，接收端DDC的電平約為4.68V，因此滿足HDMI認證要求；而DDC總上拉電阻的最小值 1.3kΩ也滿足I2C的規(guī)范。

圖1 DDC接口電路圖

由于PS321的DDC內部有弱上拉，當HDMI接口未接HDMI源設備時，DDC內部的上拉電平會通過10kΩ的電阻傳遞到HDMI接口的第18引腳，導致HDMI接口的第18引腳電平大于1.5V，不滿足HDMI認證要求。因此需要將HDMI接口的該引腳接一個3.6kΩ的電阻到地。經測試，當HDMI接口未接HDMI源設備時，HDMI接口的第18引腳電平約為0.5V，滿足HDMI認證要求。

②均衡器設計
均衡器設計主要是針對弱信號做必要的信號整形，以保證HDMI數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。在I2C工作方式下，可通過寄存器來設置均衡器的增益大小。3個HDMI輸入端口的均衡器增益大小可以分開調節(jié)，如表2所示。設計者可以通過3個HDMI輸入端口信號的損失情況來決定采用哪一擋。

進行如下測試：準備兩根HDMI線，一根長5m，一根長10m，在均衡器增益均為默認值下同樣傳輸2.25Gb/s數(shù)據(jù)率的信號，得到如圖2所示的數(shù)據(jù)眼圖。經比對，10m長的傳輸眼圖的面積比5m的小，但還不影響傳輸信號的完整性。設計者在使用均衡器設計時，需要判斷信號的強弱以決定采用哪一擋的增益。目前在電視設計中經常遇到需要一個側置的HDMI接口，而HDMI開關通常在主板上，離側置的HDMI接口有一段距離。當然此距離一般不會超過1m，采用標準的HDMI線不會影響到信號質量，但是如果采用普通的連接線就可能造成信號失真。此時需要通過適當提高均衡器的增益大小，以保證信號傳輸?shù)耐暾浴Ｈ鐖D3所示。左側為PS321輸入端采集的普通連接線的傳輸信號，可以看到眼圖面積變小，信號的損失很大；右側為經過PS321提高均衡器的增益后采集的傳輸信號，可以看到信號經整形后恢復完整性。

圖2 2.25Gb/s數(shù)據(jù)率的傳輸眼圖

圖3 提高均衡器的增益以保證信號傳輸?shù)耐暾?/p>

③TMDS信號的PCB設計
HDMI數(shù)據(jù)流以TMDS信號形式傳輸，包括三對差分數(shù)據(jù)線和一對差分時鐘線。根據(jù)HDMI 1.3a規(guī)范，要求TMDS差分阻抗為100Ω±15％。如果按照兩層PCB來設計，如圖4所示。經計算，兩層PCB的厚度為61.2＋1.9 ＋1.9＝65mil，約為1.6mm；PCB板材的介電常數(shù)為4.2。根據(jù)TMDS差分阻抗為100Ω的目標要求，將以上參數(shù)帶入差分阻抗計算軟件 Polar Si9000中計算，將得到PCB設計的指導參數(shù)，如圖5所示。

圖4 雙層PCB架構

圖5 差分阻抗計算

從圖5中可以得出以下PCB設計參數(shù)：差分走線寬度為12.5mil；差分線間距為5mil；差分阻抗約為100Ω。

軟件設計

1 HPD操作設計
HPD（Hotplug熱插拔）操作設計是HDMI接口軟件設計的一個重要環(huán)節(jié)，它是由接收端設備（Sink）發(fā)出的，在與HDMI源端設備（Source）之間建立正式通信的前奏信號。HPD信號電平為高時表示接收端設備已經準備好了，允許源端設備訪問接收端設備。

在HPD操作的軟件設計中，要考慮如下兩個因素。

一是HDMI源端設備輸出的電源腳（HDMI接收端插座的第18引腳）的檢測。如果HDMI接收端插座的第18引腳為低電平，表示HDMI源端設備未準備好，此時接收端設備應把HPD信號置低電平；如果HDMI接收端插座的第18引腳為高電平，表示HDMI源端設備已準備好，此時接收端設備根據(jù)自身的情況可以有選擇的將HPD信號置高電平，以通知HDMI源端設備，表明接收端設備也準備好。

二是源端與接收端通信失敗下的模擬HPD操作。當HDMI源端與接收端的通信剛建立時可能出現(xiàn)HDCP-KEY讀取失敗或EDID數(shù)據(jù)讀取錯誤的情況，造成HDMI工作不正常，此時為了恢復正常的通信，需要進行模擬的HPD操作，即由接收端設備將HPD信號從高電平拉為低電平，HPD低電平持續(xù)100ms左右，再拉回高電平，這樣源端設備會檢測HPD信號的跳變，重新發(fā)起讀取操作，為建立正常通信做進一步的嘗試。這種軟件模擬HPD的操作可以在不需要人為熱插拔操作的協(xié)助下以模擬硬插拔的方式來重建HDMI的正常通信，從而可以消除通信不穩(wěn)定引起的故障。考慮到以上兩個因素，設計者可以很容易地掌握HPD操作的軟件設計流程，如圖6所示。

圖6 HPD操作的軟件設計流程

2 CEC操作設計
CEC（消費類電子控制）操作是HDMI接口的一個重要擴展功能，它采用“一線”（One Wire）通信方式，將HDMI的設備連通起來，使HDMI設備之間的操作簡單化。如果PS321采用內置的EDID緩存區(qū)來配置，那么PS321的CEC操作設計主要是CEC物理地址的分配，如圖7所示。

圖7 CEC物理地址分配

CEC物理地址的分配有兩種方式：硬件方式和軟件方式。

①硬件方式
當HDMI接收端設備上電后，系統(tǒng)通過I2C將EDID數(shù)據(jù)包括HDMI端口1的物理地址寫入PS321的EDID

緩存區(qū)，HDMI 3個端口的物理地址分配如下：端口1默認為1.0.0.0；端口2和端口3的物理地址由PS321

以硬件方式在端口1默認地址的基礎上實現(xiàn)“自動加一”操作獲得，因此端口2為2.0.0.0；端口3為3.0.0.0。

以硬件方式獲得的CEC物理地址是固定的，不能改變，因此HDMI端口2和端口3的物理地址是不能改變的。

硬件方式設置CEC物理地址的流程如圖8所示。

圖8 硬件方式設置CEC物理地址的流程圖

②軟件方式
HDMI端口1的物理地址來自EDID緩存區(qū)，是由系統(tǒng)通過I2C將EDID數(shù)據(jù)包括HDMI端口1的物理地址寫入PS321的EDID緩存區(qū)，這一點與硬件方式相同。HDMI端口2和3的物理地址存在專門的寄存器中，調用時將其映射到EDID緩存區(qū)。以軟件方式設置的CEC物理地址可以更改。軟件方式設置CEC物理地址的參考流程代碼如下：

Set HPD Low
//將HPD信號設為低電平
WriteREG(Page0.0x10,0x01)
//激活軟件方式設置CEC物理地址
Load EDID to PS321 EDID Buffer for HDMI1
//將EDID數(shù)據(jù)包括HDMI端口1的物理地址寫入EDID緩存區(qū)
Load CEC Physical Address location to Page0.0x17
//將CEC物理地址的位置寫入寄存器0x17
Load CEC Physical Addresschecksum for HDMI2 to Page0.0x11～0x13
//將HDMI2物理地址及校驗碼寫入寄存器0x11～0x13
Load CEC Physical Addresschecksum for HDMI3 to Page0.0x14～0x16
//將HDMI3物理地址及校驗碼寫入寄存器0x14～0x16
WriteREG(Page0.0x10,0x07)
//3個HDMI端口的EDID及CEC物理地址已準備好
Set HPD High
//將HPD信號設為高電平

結語
通過PS321的應用設計，可以進一步的了解HDMI開關在軟硬件設計方面的設計要點。隨著HDMI接口的大量使用以及高清音視頻數(shù)據(jù)流的發(fā)展，HDMI開關將開發(fā)出集成更多、更新的功能應用，例如，TMDS信號自適應均衡化功能；HDMI-CEC指令接收、解碼及發(fā)送等功能。