汽車(chē)顯示器架構(gòu)中的外部和內(nèi)部接口及其整合選型

　　引言

　　現(xiàn)在大型面板LCD市場(chǎng)(LCD電視、桌面PC監(jiān)視器、筆記本電腦監(jiān)視器)正在朝著高度標(biāo)準(zhǔn)化和整合化邁進(jìn)，而汽車(chē)信息娛樂(lè)LCD架構(gòu)躑躅在傳統(tǒng)的概念中。主要原因在于業(yè)界通常傾向于購(gòu)買(mǎi)完整的LCD模塊，而將精力集中在視頻適配器或接口卡設(shè)計(jì)上。現(xiàn)在，采用基本TFT玻璃以及加入差異化設(shè)計(jì)的顯示器的定時(shí)控制器(TCON)正在成為新潮流。除了外部LCD接口外，還可以考慮內(nèi)部顯示接口，例如現(xiàn)在的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RSDS( 抑制擺幅差分信號(hào))總線技術(shù)。內(nèi)部和外部接口的整合的益處真是舉不枚舉：所用元件更少、節(jié)約PCB空間并降低EMC輻射和磁化效益。此類收益也適用于圖像主控應(yīng)用，該應(yīng)用一般發(fā)生在一個(gè)汽車(chē)音響本體ECU(電子控制單元)內(nèi)。現(xiàn)在的圖像處理單元(GPU)正逐漸棄用寬CMOS/TTL輸出，因?yàn)樗鼤?huì)消耗大量的封裝引腳。目前，越來(lái)越多的圖像源元件可提供根據(jù)串聯(lián)數(shù)據(jù)通道而成的第一級(jí)串聯(lián)化，以供帶有并聯(lián)時(shí)鐘通道的色彩位應(yīng)用。參照開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“FPD-Link”物理層的規(guī)定，預(yù)計(jì)未來(lái)還會(huì)進(jìn)一步提高連接選擇的靈活性。這樣，第一級(jí)的串聯(lián)化可通過(guò)采用橋接芯片來(lái)獲得升華，從而在單一對(duì)的互連上提供第二級(jí)串聯(lián)化，以便產(chǎn)生出纖薄和可連到很遠(yuǎn)的電纜連接方案，這對(duì)汽車(chē)外殼布線——特別是要連接到后座娛樂(lè)顯示器的應(yīng)用—尤其重要。

　　傳統(tǒng)的圖像與遠(yuǎn)程LCD面板連接

　　在傳統(tǒng)的汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，圖像控制器或圖像處理單元(GPU)會(huì)傳送有圖素時(shí)鐘和同步信號(hào)對(duì)齊的并聯(lián)RGB顏色位。如圖1中所示。在遠(yuǎn)程的LCD顯示器連接中，有時(shí)會(huì)因纜線太厚，或電源和EMC(電磁兼容性)等的問(wèn)題而導(dǎo)致并聯(lián)總線不能跨越超過(guò)20-30厘米的長(zhǎng)度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體在90年代的中期與當(dāng)時(shí)領(lǐng)導(dǎo)業(yè)界的TFT面板供應(yīng)商一起研發(fā)了嶄新的串聯(lián)/解串(SerDes)FPD-Link(平面顯示器--鏈接)芯片組系列。該傳送器接受高至18位的RGB信息(6位色彩深度模式)以及三個(gè)控制信號(hào)和時(shí)鐘，然后將它們轉(zhuǎn)換成三個(gè)差分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)和一個(gè)時(shí)鐘對(duì)。在面板上設(shè)置了補(bǔ)足功能。FPD-Link接收器將數(shù)據(jù)流反串聯(lián)化，并且把圖素?cái)?shù)據(jù)和控制信號(hào)提供給面板上的TCON(定時(shí)控制器)，接著它會(huì)將信號(hào)重新格式化并路由到LCD玻璃的行和列驅(qū)動(dòng)器。FPD-Link物理層的位映射和信號(hào)格式已成為SPWG(標(biāo)準(zhǔn)面板工作小組)訂立的標(biāo)準(zhǔn)并成為筆記本電腦LCD監(jiān)視器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接方案。該芯片組采納LVDS(低壓差分信號(hào))物理層的標(biāo)準(zhǔn)：ANSI/TIA/EIA-644A。LVDS是一個(gè)高速兼低功耗的接口，它不單被應(yīng)用到時(shí)下的嵌入式顯示器，而且還可應(yīng)用在要求高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)母魇礁鳂訑?shù)據(jù)通信和電傳通信上。它的優(yōu)點(diǎn)包括可提供速度很高的線傳輸率、功耗較少，以及所產(chǎn)生的噪聲較低和非常耐用。此外，它在排除共模噪聲方面的能力，比起真正的差分信號(hào)強(qiáng)一倍。如此一來(lái)，高分辨率的面板可經(jīng)由較小的接口支援，從而簡(jiǎn)化了互連上的設(shè)計(jì)，同時(shí)仍可支援各級(jí)的面板分辨率。FPD-Link的概念還可引伸到更全面的“OpenLDI” (LVDS顯示器接口)規(guī)格。OpenLDI詳細(xì)描述出顯示器源和傳送數(shù)字顯示器數(shù)據(jù)的顯示器件之間的接口邏輯、電氣和機(jī)械特性。對(duì)于超過(guò)10米的長(zhǎng)程線接應(yīng)用，可以采納LVDS SerDes的強(qiáng)化版本。包含在傳送器內(nèi)的強(qiáng)化部份是可自選預(yù)加重和一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗直流平衡方案，以在冗長(zhǎng)纜線的未端打開(kāi)眼圖。另外，接收器還提供纜線反偏斜功能，可允許使用標(biāo)準(zhǔn)的雙紋線。在其”LVDS非直流平衡”模式中，OpenLDI物理層能夠逆向兼容，而且與FPD-Link物理層一模一樣。

　　四線道和單線道串聯(lián)/反串聯(lián)轉(zhuǎn)換器之間的LVDS橋接概念

　　現(xiàn)在有越來(lái)越多的圖像處理器、定標(biāo)器和甚至是中低檔的FPGA都整合有FPD-Link物理層。整合主要優(yōu)勢(shì)在于可以在多條受限中速數(shù)據(jù)通道上分發(fā)大數(shù)據(jù)流，并可減低在復(fù)雜數(shù)字芯片內(nèi)采用高頻鎖相環(huán)路(PLL)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR)電路的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，在汽車(chē)外殼的布線上，四線道(八條纜線)差分互連所產(chǎn)生出來(lái)的纜線仍相對(duì)較厚和靈活性也較低。長(zhǎng)度超過(guò)5米的纜線可能會(huì)因纜線的構(gòu)造和規(guī)格而在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘通道間產(chǎn)生潛在的偏斜問(wèn)題。在汽車(chē)的安裝過(guò)程中，由于制造商傾向采用交流耦合連接以便為傳送和接收端上的位移接地電位提供隔離，因此更合乎邏輯的方案是包含有嵌入式時(shí)鐘方案的單線道轉(zhuǎn)換方案。對(duì)于設(shè)有FPD-Link接口的圖像源來(lái)說(shuō)，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體出品的DS99R421可以把四條非直流平衡式的LVDS 線道(三條 LVDS數(shù)據(jù)加一條LVDS時(shí)鐘)連同三個(gè)過(guò)取樣的低速控制位  (OS<2:0>)轉(zhuǎn)換成單一條具有嵌入式時(shí)鐘信息的LVDS直流平衡式串聯(lián)數(shù)據(jù)流，如圖2所示。這種串聯(lián)化方案由于消除了在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘路徑間的偏斜，故此簡(jiǎn)化了在單一個(gè)差分對(duì)上轉(zhuǎn)換24位總線的工作。通過(guò)將互連縮窄，有助削減PCB的層數(shù)、纜線寬度，以及連接器的尺寸和引腳，從而節(jié)省系統(tǒng)成本。

　　此外，該器件還可在LVDS輸入處整合一個(gè)100Ω的端接電阻器。除上述外，該器件還在LVDS輸出上特設(shè)一個(gè)預(yù)加重信號(hào)條件功能，以便在使用有損耗纜線作較長(zhǎng)程的連接時(shí)增強(qiáng)信號(hào)。用戶可通過(guò)一個(gè)外部電阻器來(lái)控制該功能，并以最高每秒1032Mbit的數(shù)據(jù)吞吐量驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)至10米的屏蔽雙姣線。內(nèi)部直流平衡編碼可通過(guò)串聯(lián)的電容器來(lái)支持交流耦合互連。DS99R421串聯(lián)數(shù)據(jù)流的位映射可與DS90UR124單線道LVDS反串聯(lián)器元件兼容，它當(dāng)中包含有一個(gè) “@ Speed BIST” (內(nèi)置自測(cè)試)功能來(lái)驗(yàn)證鏈接的完整性。

　　RSDS優(yōu)化內(nèi)部面板TFT-LCD架構(gòu)

汽車(chē)顯示器系統(tǒng)供應(yīng)商越來(lái)越專注于開(kāi)發(fā)定時(shí)控制器的功能，以突顯其產(chǎn)品的獨(dú)特性。因此即使是處于TCON和行/列驅(qū)動(dòng)器之間的內(nèi)部顯示總線也備受關(guān)注。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體特別聯(lián)同前列的LCD模塊供應(yīng)商一起開(kāi)發(fā)出開(kāi)放式的抑制擺幅差分信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。其目的是為L(zhǎng)CD定時(shí)控制器和列驅(qū)動(dòng)器元件間的接口訂立一個(gè)共用的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)接口在支援高數(shù)據(jù)吞吐量的同時(shí)，可減少互連的數(shù)量和功耗，以及能夠減低電磁幅射來(lái)簡(jiǎn)化屏蔽的工作。

　　RSDS其實(shí)是工業(yè)LVDS信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)(RS-644A)的一個(gè)衍生標(biāo)準(zhǔn)，其輸出驅(qū)動(dòng)電流被進(jìn)一步削減至只有2mA。在一個(gè)典型100Ω端接電阻器內(nèi)的差分信號(hào)波幅雖只有±200mV，但這已足夠有余供短至中距離的系統(tǒng)內(nèi)部連接使用。在信號(hào)轉(zhuǎn)換期間因相對(duì)較小信號(hào)所造成的邊沿速率擺幅可以被設(shè)計(jì)成中度斜坡，這樣便可締造出比采納TTL信號(hào)更高的圖素時(shí)鐘頻率。RSDS輸出緩沖器提供1.3V的偏置電壓作為共模電壓以供差分信號(hào)使用。RSDS總線只需要傳播RGB色彩位和一個(gè)并聯(lián)時(shí)鐘信號(hào)(“RSCK”)。RSDS采用一個(gè)2:1的多工方案，即在每一條數(shù)據(jù)通道上有個(gè)色彩位，而每一個(gè)位均同時(shí)會(huì)在時(shí)鐘通道的上升和下降邊期間被多工化(“雙倍數(shù)據(jù)速率”)。接收列驅(qū)動(dòng)器元件因此可無(wú)需一個(gè)整合高頻PLL電路而能運(yùn)作，這有助其整合入玻璃基板的上或內(nèi)。與TTL總線概念比較，通過(guò)這串聯(lián)化可以減少一半的總線線路。例如在一個(gè)具有6位色彩深度的TTL雙總線(“雙及單圖素”)架構(gòu)中，那里有36條數(shù)據(jù)線和兩條時(shí)鐘線(總共38條線)，而在一個(gè)等效的RSDS架構(gòu)中，該處只需有一條總線，其中包含有9個(gè)數(shù)據(jù)差分對(duì)和一個(gè)差分時(shí)鐘線對(duì)(總共20條線)。

　　具備整合式LVDS和RSDS接口的定時(shí)控制器

　　定時(shí)控制器是TFT LCD模塊的大腦與核心元件。對(duì)于汽車(chē)遠(yuǎn)端顯示器而言，輸入信號(hào)在很多情況下都是由圖像主控端的串聯(lián)LVDS數(shù)據(jù)流提供的(例如汽車(chē)音響本體ECU)。LVDS接口在反串聯(lián)器功能中發(fā)揮作用：它將RGB色彩位和控制信號(hào)(Hsync， Vsync and DE)映射回一個(gè)并聯(lián)的數(shù)據(jù)格式。接著，TCON將那些數(shù)據(jù)朝向LCE面板的行和列驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行布線和重新格式化。例如圖3所示的FPD87532就是一個(gè)高集成度定時(shí)控制器的例子。圖中的TCON將一個(gè)LVDS單圖素輸入接口與RSDS輸出列驅(qū)動(dòng)器接口結(jié)合在一起，并放置在平面顯示器旁以便提供數(shù)據(jù)緩沖和控制信號(hào)的生成。具備LVDS的FPD-Link接收器設(shè)有四條數(shù)據(jù)通道和一條時(shí)鐘通道以提供24位的色彩。此外，SSC(擴(kuò)頻時(shí)鐘)功能可透過(guò)把軸射性峰值能量分布在一較寬闊的頻帶上來(lái)將電磁干擾減低。這功能采用一個(gè)外部的SSC信號(hào)源，它負(fù)責(zé)提供同步化的擴(kuò)頻給RSDS和控制信號(hào)輸出。兩線的串聯(lián)EEPROM接口控制了LUT(搜尋列表)暫存器的初始化。假如沒(méi)有EEPROM，LUT的數(shù)據(jù)便由內(nèi)部的ROM所提供。至于CLK及數(shù)據(jù)同步器功能可將數(shù)據(jù)延遲及對(duì)齊以配合包括有RSDS偏斜控制的內(nèi)部數(shù)據(jù)處理。所有的數(shù)據(jù)處理都需要經(jīng)RSDS輸出和LCD定時(shí)控制信號(hào)來(lái)對(duì)齊，其RTC(響應(yīng)時(shí)間補(bǔ)償)功能將可改善LCD面板的內(nèi)部灰度級(jí)響應(yīng)時(shí)間，從而獲得較佳的活動(dòng)影像顯示效果。RTC的功能是通過(guò)應(yīng)用升壓或過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)達(dá)成，這可強(qiáng)迫液晶物料的反應(yīng)速度加快。這對(duì)于在低溫下操作的汽車(chē)顯示器來(lái)說(shuō)尤其重要，因?yàn)橐壕锪显诘蜏貢r(shí)的反應(yīng)速度一般都較慢。

　　升壓脈沖經(jīng)由一個(gè)內(nèi)部或外部的EEPROM LUT(當(dāng)中包含有升壓/過(guò)驅(qū)動(dòng)級(jí))再加上可作為畫(huà)面緩沖器的外部記憶體來(lái)控制。RTC的參考數(shù)值是新的灰度數(shù)值，其數(shù)值視乎同一個(gè)圖素的現(xiàn)行幀RGB灰度數(shù)據(jù)和先前幀RGB數(shù)據(jù)之間的分別而定。RSDS接口將CMOS級(jí)的信號(hào)轉(zhuǎn)換成供系統(tǒng)時(shí)鐘(DCLK)和RGB色彩數(shù)據(jù)用的RSDS信號(hào)。RSDS偏斜可經(jīng)由幾個(gè)步驟來(lái)控制，以在相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器容納不同的延遲。 垂直及水平LCD定時(shí)控制方塊會(huì)產(chǎn)生出TTL/CMOS級(jí)的信號(hào)，以用來(lái)在LCD系統(tǒng)中連接列和行驅(qū)動(dòng)器。所有信號(hào)均與RSDS數(shù)據(jù)時(shí)鐘同步化。為了展示TCON方案的整合優(yōu)點(diǎn)，圖4分別列出不同世代定時(shí)控制板的基準(zhǔn)。從比較中可看出，外部元件的數(shù)量和PCB的尺寸都顯著地下降。例如：一個(gè)190個(gè)無(wú)源元件的10寸寬屏幕VGA LCD，在TCON和列驅(qū)動(dòng)器間需要一個(gè)TTL總線。然而，通過(guò)采用RSDS總線后，元件的數(shù)量大幅削減至只有101個(gè)，幅降達(dá)47%。此外，PCB的層數(shù)亦由原先用TTL時(shí)的六層減至用RSDS時(shí)的四層，也進(jìn)一步減輕了成本。最后，由于無(wú)需再在定時(shí)控制器外部使用寬闊的并聯(lián)TTL/CMOS總線， EMC受益良多。

　　結(jié)語(yǔ)

　　現(xiàn)代的汽車(chē)信息娛樂(lè)顯示器架構(gòu)正在逐漸傾向用整合式的串聯(lián)方案來(lái)取代舊有的并聯(lián)TTL/CMOS RGB總線，以締造出最完美的系統(tǒng)概念。此方案的優(yōu)點(diǎn)是可削減引腳數(shù)量、互連數(shù)目、功耗、幅射性放射和對(duì)外間噪聲的感染。LVDS和RSDS物理層標(biāo)準(zhǔn)已獲驗(yàn)證，而相關(guān)的技術(shù)已趨成熟，不單簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的工作而且大大降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)，LCD玻璃基板上和內(nèi)部的集成度將會(huì)不斷提高。具備基本功能的定時(shí)控制器將會(huì)以COG(玻璃上芯片)的形式面市。在這情況下，RSDS總線可以作為輸入總線的另一選擇。因?yàn)镽SDS接收器并不要求難整合在玻璃上的高頻PLL結(jié)構(gòu)來(lái)選通輸入數(shù)據(jù)。憑借在來(lái)自圖像控制主控一方經(jīng)中間接口適配器或TCON板、列板基至是TFT玻璃上或內(nèi)的芯片元件而來(lái)的完整數(shù)據(jù)路徑上進(jìn)行系統(tǒng)分割的優(yōu)勢(shì)，可提升整體系統(tǒng)的效能表現(xiàn)和EMC特性，兼可降低系統(tǒng)。