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

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

LVDS 是一項高效節能的單向連接技術(shù)，該技術(shù)使用兩條銅纜之間的電壓差來(lái)傳輸信息。LVDS 發(fā)送器基于四個(gè)串行差分線(xiàn)對之上的輸入時(shí)鐘，對多達24位數據進(jìn)行編碼（見(jiàn)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L(fǎng)VDS 為基礎，出現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(dòng)行業(yè)處理器接口）和DVP（數字視頻端口）。

1   帶有FPD-Link的LVDS

當我們談?wù)揕VDS 時(shí)，通常指的是FPD 結構LVDS。FPD-Link 是National Semiconductor 連同LVDS 一起開(kāi)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據的標準。

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(lái)自圖形控制器的RGB數據和控制數據傳輸到FPD-Link 發(fā)送器的輸入。它充當并行TTL 數據的多路復用器（mux），并將其轉換為串行LVDS 標準數據。LVDS 數據通過(guò)將主板連接到顯示器的線(xiàn)纜發(fā)送到發(fā)送器。在顯示屏的FPDLink接收器上，它們經(jīng)過(guò)反序列化（解復用）操作，這意味著(zhù)LVDS 信號數據轉換回到TTL 信號格式，并發(fā)送到時(shí)序控制器的輸入。通過(guò)多路并行TTL 信號的復用操作，允許通過(guò)窄帶接口傳輸更高速率數據。這樣，還可以滿(mǎn)足高帶寬通信的要求。

圖2 顯示了具有4 根LVDS 線(xiàn)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(shí)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(guò)差分對進(jìn)行傳輸。因此，與需要22 根電纜的其他方案相比，這個(gè)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，以及可編程的數據導入功能，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)規定了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )設備中的六種類(lèi)型接口：物理層、多媒體、芯片對芯片或進(jìn)程間通信、設備控制和數據管理、系統調試以及軟件集成。每個(gè)規范都滿(mǎn)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(gè)或多個(gè)顯示器與應用處理器之間的MIPI 接口。它們定義了串行總線(xiàn)和通信協(xié)議，用于主機、圖像數據源和目標應用之間的數據傳輸。它們的開(kāi)發(fā)目的是為移動(dòng)設備（如智能手機、筆記本電腦和平板電腦、可穿戴設備、增強現實(shí)應用和車(chē)輛儀表板）實(shí)現低成本的顯示控制器。

在物理層，DSI 規定了串行點(diǎn)對點(diǎn)高速差分信號總線(xiàn)。它包含一個(gè)高速時(shí)鐘通道和一個(gè)或幾個(gè)數據通道。由于使用差分信號，每個(gè)通道覆蓋兩條線(xiàn)纜。除第一個(gè)數據通道（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(xiàn)翻轉操作（BTA）能力，可以使傳輸方向反轉。當使用多個(gè)通道時(shí)，它們并行傳輸數據，因此當使用4 個(gè)通道時(shí)，可以同時(shí)傳輸4 位數據。

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(shí)鐘被禁用，信號時(shí)鐘信息被嵌入到數據中。數據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(shí)鐘信號用于數十兆赫茲至幾千兆赫茲頻率范圍，作為數據通道的位時(shí)鐘。時(shí)鐘速率取決于顯示器的要求。由于信號輸出只需要低電壓，且數據可以并行傳輸，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)送器根據帶寬要求將發(fā)送的數據分布在4 個(gè)通道中的1 個(gè)或幾個(gè)上。對于映射（確定在哪個(gè)通道上傳輸哪個(gè)位數據的方法），視頻電子標準協(xié)會(huì )（VESA）和日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì )（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數據組織為數據包，以及哪些位構成報頭和有效負荷。這也是執行錯誤檢查操作的地方。在應用級別，來(lái)自下一層的數據最終會(huì )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(gè)共同點(diǎn)：都使用4 個(gè)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L(cháng)VDS 信號。另一方面，MIPIDSI 不僅可以傳輸視頻/ 圖像數據，還可以傳輸命令信號。MIPI DSI 也可以根據特定的握手序列和規則來(lái)控制兩種信號。

6   DSI和LVDS之間的橋梁

如果應用過(guò)程不支持其中一種標準或者沒(méi)有足夠的通道來(lái)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(jìn)程連接到各個(gè)顯示器，而不必重新開(kāi)發(fā)整個(gè)系統。

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(lèi)、工業(yè)和汽車(chē)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(guò)DSI 鏈接來(lái)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(guò)DSI Dual Link 進(jìn)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(guò)基于環(huán)境光來(lái)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(dòng)設備的功耗。

7   結論

對于不支持DSI 的設計，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)東芝橋接IC 等產(chǎn)品利用DSI 的優(yōu)勢（低功耗、低像素數據速率和低組件成本），從而在這個(gè)迅速發(fā)展的市場(chǎng)中獲得他們需要的靈活性?xún)?yōu)勢。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）