汽車(chē)顯示器架構中的外部和內部接口及其整合選型

　　引言

　　現在大型面板LCD市場(chǎng)(LCD電視、桌面PC監視器、筆記本電腦監視器)正在朝著(zhù)高度標準化和整合化邁進(jìn)，而汽車(chē)信息娛樂(lè )LCD架構躑躅在傳統的概念中。主要原因在于業(yè)界通常傾向于購買(mǎi)完整的LCD模塊，而將精力集中在視頻適配器或接口卡設計上?，F在，采用基本TFT玻璃以及加入差異化設計的顯示器的定時(shí)控制器(TCON)正在成為新潮流。除了外部LCD接口外，還可以考慮內部顯示接口，例如現在的工業(yè)標準RSDS( 抑制擺幅差分信號)總線(xiàn)技術(shù)。內部和外部接口的整合的益處真是舉不枚舉：所用元件更少、節約PCB空間并降低EMC輻射和磁化效益。此類(lèi)收益也適用于圖像主控應用，該應用一般發(fā)生在一個(gè)汽車(chē)音響本體ECU(電子控制單元)內?，F在的圖像處理單元(GPU)正逐漸棄用寬CMOS/TTL輸出，因為它會(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串聯(lián)數據通道而成的第一級串聯(lián)化，以供帶有并聯(lián)時(shí)鐘通道的色彩位應用。參照開(kāi)放的工業(yè)標準“FPD-Link”物理層的規定，預計未來(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，從而在單一對的互連上提供第二級串聯(lián)化，以便產(chǎn)生出纖薄和可連到很遠的電纜連接方案，這對汽車(chē)外殼布線(xiàn)——特別是要連接到后座娛樂(lè )顯示器的應用—尤其重要。

　　傳統的圖像與遠程LCD面板連接

　　在傳統的汽車(chē)信息娛樂(lè )系統設計中，圖像控制器或圖像處理單元(GPU)會(huì )傳送有圖素時(shí)鐘和同步信號對齊的并聯(lián)RGB顏色位。如圖1中所示。在遠程的LCD顯示器連接中，有時(shí)會(huì )因纜線(xiàn)太厚，或電源和EMC(電磁兼容性)等的問(wèn)題而導致并聯(lián)總線(xiàn)不能跨越超過(guò)20-30厘米的長(cháng)度。針對這個(gè)問(wèn)題，美國國家半導體在90年代的中期與當時(shí)領(lǐng)導業(yè)界的TFT面板供應商一起研發(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)控制信號和時(shí)鐘，然后將它們轉換成三個(gè)差分數據對和一個(gè)時(shí)鐘對。在面板上設置了補足功能。FPD-Link接收器將數據流反串聯(lián)化，并且把圖素數據和控制信號提供給面板上的TCON(定時(shí)控制器)，接著(zhù)它會(huì )將信號重新格式化并路由到LCD玻璃的行和列驅動(dòng)器。FPD-Link物理層的位映射和信號格式已成為SPWG(標準面板工作小組)訂立的標準并成為筆記本電腦LCD監視器的工業(yè)標準連接方案。該芯片組采納LVDS(低壓差分信號)物理層的標準：ANSI/TIA/EIA-644A。LVDS是一個(gè)高速兼低功耗的接口，它不單被應用到時(shí)下的嵌入式顯示器，而且還可應用在要求高速數據傳輸的各式各樣數據通信和電傳通信上。它的優(yōu)點(diǎn)包括可提供速度很高的線(xiàn)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強一倍。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)化了互連上的設計，同時(shí)仍可支援各級的面板分辨率。FPD-Link的概念還可引伸到更全面的“OpenLDI” (LVDS顯示器接口)規格。OpenLDI詳細描述出顯示器源和傳送數字顯示器數據的顯示器件之間的接口邏輯、電氣和機械特性。對于超過(guò)10米的長(cháng)程線(xiàn)接應用，可以采納LVDS SerDes的強化版本。包含在傳送器內的強化部份是可自選預加重和一個(gè)簡(jiǎn)單的低功耗直流平衡方案，以在冗長(cháng)纜線(xiàn)的未端打開(kāi)眼圖。另外，接收器還提供纜線(xiàn)反偏斜功能，可允許使用標準的雙紋線(xiàn)。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(xiàn)道和單線(xiàn)道串聯(lián)/反串聯(lián)轉換器之間的LVDS橋接概念

　　現在有越來(lái)越多的圖像處理器、定標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)勢在于可以在多條受限中速數據通道上分發(fā)大數據流，并可減低在復雜數字芯片內采用高頻鎖相環(huán)路(PLL)和時(shí)鐘數據恢復(CDR)電路的設計風(fēng)險。另一方面，在汽車(chē)外殼的布線(xiàn)上，四線(xiàn)道(八條纜線(xiàn))差分互連所產(chǎn)生出來(lái)的纜線(xiàn)仍相對較厚和靈活性也較低。長(cháng)度超過(guò)5米的纜線(xiàn)可能會(huì )因纜線(xiàn)的構造和規格而在數據和時(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(xiàn)道轉換方案。對于設有FPD-Link接口的圖像源來(lái)說(shuō)，美國國家半導體出品的DS99R421可以把四條非直流平衡式的LVDS 線(xiàn)道(三條 LVDS數據加一條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)數據流，如圖2所示。這種串聯(lián)化方案由于消除了在數據和時(shí)鐘路徑間的偏斜，故此簡(jiǎn)化了在單一個(gè)差分對上轉換24位總線(xiàn)的工作。通過(guò)將互連縮窄，有助削減PCB的層數、纜線(xiàn)寬度，以及連接器的尺寸和引腳，從而節省系統成本。

　　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輸出上特設一個(gè)預加重信號條件功能，以便在使用有損耗纜線(xiàn)作較長(cháng)程的連接時(shí)增強信號。用戶(hù)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的數據吞吐量驅動(dòng)長(cháng)至10米的屏蔽雙姣線(xiàn)。內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)數據流的位映射可與DS90UR124單線(xiàn)道LVDS反串聯(lián)器元件兼容，它當中包含有一個(gè) “@ Speed BIST” (內置自測試)功能來(lái)驗證鏈接的完整性。

　　RSDS優(yōu)化內部面板TFT-LCD架構

汽車(chē)顯示器系統供應商越來(lái)越專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)定時(shí)控制器的功能，以突顯其產(chǎn)品的獨特性。因此即使是處于TCON和行/列驅動(dòng)器之間的內部顯示總線(xiàn)也備受關(guān)注。美國國家半導體特別聯(lián)同前列的LCD模塊供應商一起開(kāi)發(fā)出開(kāi)放式的抑制擺幅差分信號標準。其目的是為L(cháng)CD定時(shí)控制器和列驅動(dòng)器元件間的接口訂立一個(gè)共用的標準。這個(gè)接口在支援高數據吞吐量的同時(shí)，可減少互連的數量和功耗，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信號標準(RS-644A)的一個(gè)衍生標準，其輸出驅動(dòng)電流被進(jìn)一步削減至只有2mA。在一個(gè)典型100Ω端接電阻器內的差分信號波幅雖只有±200mV，但這已足夠有余供短至中距離的系統內部連接使用。在信號轉換期間因相對較小信號所造成的邊沿速率擺幅可以被設計成中度斜坡，這樣便可締造出比采納TTL信號更高的圖素時(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使用。RSDS總線(xiàn)只需要傳播RGB色彩位和一個(gè)并聯(lián)時(shí)鐘信號(“RSCK”)。RSDS采用一個(gè)2:1的多工方案，即在每一條數據通道上有個(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(“雙倍數據速率”)。接收列驅動(dòng)器元件因此可無(wú)需一個(gè)整合高頻PLL電路而能運作，這有助其整合入玻璃基板的上或內。與TTL總線(xiàn)概念比較，通過(guò)這串聯(lián)化可以減少一半的總線(xiàn)線(xiàn)路。例如在一個(gè)具有6位色彩深度的TTL雙總線(xiàn)(“雙及單圖素”)架構中，那里有36條數據線(xiàn)和兩條時(shí)鐘線(xiàn)(總共38條線(xiàn))，而在一個(gè)等效的RSDS架構中，該處只需有一條總線(xiàn)，其中包含有9個(gè)數據差分對和一個(gè)差分時(shí)鐘線(xiàn)對(總共20條線(xiàn))。

　　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。對于汽車(chē)遠端顯示器而言，輸入信號在很多情況下都是由圖像主控端的串聯(lián)LVDS數據流提供的(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(Hsync， Vsync and DE)映射回一個(gè)并聯(lián)的數據格式。接著(zhù)，TCON將那些數據朝向LCE面板的行和列驅動(dòng)器進(jìn)行布線(xiàn)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輸出列驅動(dòng)器接口結合在一起，并放置在平面顯示器旁以便提供數據緩沖和控制信號的生成。具備LVDS的FPD-Link接收器設有四條數據通道和一條時(shí)鐘通道以提供24位的色彩。此外，SSC(擴頻時(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信號源，它負責提供同步化的擴頻給RSDS和控制信號輸出。兩線(xiàn)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的數據便由內部的ROM所提供。至于CLK及數據同步器功能可將數據延遲及對齊以配合包括有RSDS偏斜控制的內部數據處理。所有的數據處理都需要經(jīng)RSDS輸出和LCD定時(shí)控制信號來(lái)對齊，其RTC(響應時(shí)間補償)功能將可改善LCD面板的內部灰度級響應時(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)應用升壓或過(guò)驅動(dòng)電壓來(lái)達成，這可強迫液晶物料的反應速度加快。這對于在低溫下操作的汽車(chē)顯示器來(lái)說(shuō)尤其重要，因為液晶物料在低溫時(shí)的反應速度一般都較慢。

　　升壓脈沖經(jīng)由一個(gè)內部或外部的EEPROM LUT(當中包含有升壓/過(guò)驅動(dòng)級)再加上可作為畫(huà)面緩沖器的外部記憶體來(lái)控制。RTC的參考數值是新的灰度數值，其數值視乎同一個(gè)圖素的現行幀RGB灰度數據和先前幀RGB數據之間的分別而定。RSDS接口將CMOS級的信號轉換成供系統時(shí)鐘(DCLK)和RGB色彩數據用的RSDS信號。RSDS偏斜可經(jīng)由幾個(gè)步驟來(lái)控制，以在相應的列驅動(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級的信號，以用來(lái)在LCD系統中連接列和行驅動(dòng)器。所有信號均與RSDS數據時(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。從比較中可看出，外部元件的數量和PCB的尺寸都顯著(zhù)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和列驅動(dòng)器間需要一個(gè)TTL總線(xiàn)。然而，通過(guò)采用RSDS總線(xiàn)后，元件的數量大幅削減至只有101個(gè)，幅降達47%。此外，PCB的層數亦由原先用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(xiàn)， EMC受益良多。

　　結語(yǔ)

　　現代的汽車(chē)信息娛樂(lè )顯示器架構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(xiàn)，以締造出最完美的系統概念。此方案的優(yōu)點(diǎn)是可削減引腳數量、互連數目、功耗、幅射性放射和對外間噪聲的感染。LVDS和RSDS物理層標準已獲驗證，而相關(guān)的技術(shù)已趨成熟，不單簡(jiǎn)化了設計的工作而且大大降低了設計風(fēng)險。未來(lái)，LCD玻璃基板上和內部的集成度將會(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(xiàn)可以作為輸入總線(xiàn)的另一選擇。因為RSDS接收器并不要求難整合在玻璃上的高頻PLL結構來(lái)選通輸入數據。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玻璃上或內的芯片元件而來(lái)的完整數據路徑上進(jìn)行系統分割的優(yōu)勢，可提升整體系統的效能表現和EMC特性，兼可降低系統。