基于HDMI開關(guān)PS321的應(yīng)用設(shè)計(jì)

隨著消費(fèi)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(lái)越多的應(yīng)用到消費(fèi)類電子產(chǎn)品上。帶HDMI功能的電子產(chǎn)品大量問(wèn)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(yīng)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(shè)備，許多集成電路設(shè)計(jì)公司都適時(shí)推出了三選一或四選一的HDMI開關(guān)，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(guān)PS321的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

硬件設(shè)計(jì)
1 芯片選型
PS321作為一款三選一的HDMI開關(guān)，與其他廠商相類似的產(chǎn)品相比較具有較多優(yōu)勢(shì)。將PS321與另一款通用的三選一HDMI開關(guān)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如表1所示。

從以上比對(duì)中可以看出PS321具有以下優(yōu)勢(shì)。

● 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(shì)；

● 支持I2C控制，方便設(shè)計(jì)者使用；

● 內(nèi)置EDID緩存，無(wú)須在HDMI接口上外加用來(lái)存儲(chǔ)EDID數(shù)據(jù)的E2PROM，從而降低電路成本；

● 內(nèi)置均衡器，可調(diào)節(jié)增益，用來(lái)彌補(bǔ)HDMI信號(hào)在線路上的傳輸損失。

2 電路設(shè)計(jì)
①DDC接口電路設(shè)計(jì)
DDC（顯示數(shù)據(jù)通道）主要用于HDMI源端設(shè)備（Source）與接收端設(shè)備（Sink）之間進(jìn)行EDID數(shù)據(jù)及HDCP密鑰的交流。通過(guò)EDID交流，源端設(shè)備可以了解到接收端設(shè)備音視頻的接收能力；通過(guò)HDCP Key的交流，可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)流的內(nèi)容保護(hù)認(rèn)證，從而達(dá)到數(shù)據(jù)內(nèi)容保護(hù)的目的。DDC的電路方式與I2C電路相同，因此在DDC電路設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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(rèn)證中DDC電平的要求（在  4.5～5.5V之間），將DDC信號(hào)均通過(guò)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(jīng)計(jì)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(jīng)測(cè)試，接收端DDC的電平約為4.68V，因此滿足HDMI認(rèn)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(nèi)部有弱上拉，當(dāng)HDMI接口未接HDMI源設(shè)備時(shí)，DDC內(nèi)部的上拉電平會(huì)通過(guò)10kΩ的電阻傳遞到HDMI接口的第18引腳，導(dǎo)致HDMI接口的第18引腳電平大于1.5V，不滿足HDMI認(rèn)證要求。因此需要將HDMI接口的該引腳接一個(gè)3.6kΩ的電阻到地。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)HDMI接口未接HDMI源設(shè)備時(shí)，HDMI接口的第18引腳電平約為0.5V，滿足HDMI認(rèn)證要求。

②均衡器設(shè)計(jì)
均衡器設(shè)計(jì)主要是針對(duì)弱信號(hào)做必要的信號(hào)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(guò)寄存器來(lái)設(shè)置均衡器的增益大小。3個(gè)HDMI輸入端口的均衡器增益大小可以分開調(diào)節(jié)，如表2所示。設(shè)計(jì)者可以通過(guò)3個(gè)HDMI輸入端口信號(hào)的損失情況來(lái)決定采用哪一擋。

進(jìn)行如下測(cè)試：準(zhǔn)備兩根HDMI線，一根長(zhǎng)5m，一根長(zhǎng)10m，在均衡器增益均為默認(rèn)值下同樣傳輸2.25Gb/s數(shù)據(jù)率的信號(hào)，得到如圖2所示的數(shù)據(jù)眼圖。經(jīng)比對(duì)，10m長(zhǎng)的傳輸眼圖的面積比5m的小，但還不影響傳輸信號(hào)的完整性。設(shè)計(jì)者在使用均衡器設(shè)計(jì)時(shí)，需要判斷信號(hào)的強(qiáng)弱以決定采用哪一擋的增益。目前在電視設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到需要一個(gè)側(cè)置的HDMI接口，而HDMI開關(guān)通常在主板上，離側(cè)置的HDMI接口有一段距離。當(dāng)然此距離一般不會(huì)超過(guò)1m，采用標(biāo)準(zhǔn)的HDMI線不會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量，但是如果采用普通的連接線就可能造成信號(hào)失真。此時(shí)需要通過(guò)適當(dāng)提高均衡器的增益大小，以保證信號(hào)傳輸?shù)耐暾?。如圖3所示。左側(cè)為PS321輸入端采集的普通連接線的傳輸信號(hào)，可以看到眼圖面積變小，信號(hào)的損失很大；右側(cè)為經(jīng)過(guò)PS321提高均衡器的增益后采集的傳輸信號(hào)，可以看到信號(hào)經(jīng)整形后恢復(fù)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(hào)傳輸?shù)耐暾?/p>

③TMDS信號(hào)的PCB設(shè)計(jì)
HDMI數(shù)據(jù)流以TMDS信號(hào)形式傳輸，包括三對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線和一對(duì)差分時(shí)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(lái)設(shè)計(jì)，如圖4所示。經(jīng)計(jì)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(biāo)要求，將以上參數(shù)帶入差分阻抗計(jì)算軟件 Polar Si9000中計(jì)算，將得到PCB設(shè)計(jì)的指導(dǎo)參數(shù)，如圖5所示。

圖4 雙層PCB架構(gòu)

圖5 差分阻抗計(jì)算

從圖5中可以得出以下PCB設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

1 HPD操作設(shè)計(jì)
HPD（Hotplug熱插拔）操作設(shè)計(jì)是HDMI接口軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是由接收端設(shè)備（Sink）發(fā)出的，在與HDMI源端設(shè)備（Source）之間建立正式通信的前奏信號(hào)。HPD信號(hào)電平為高時(shí)表示接收端設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備好了，允許源端設(shè)備訪問(wèn)接收端設(shè)備。

在HPD操作的軟件設(shè)計(jì)中，要考慮如下兩個(gè)因素。

一是HDMI源端設(shè)備輸出的電源腳（HDMI接收端插座的第18引腳）的檢測(cè)。如果HDMI接收端插座的第18引腳為低電平，表示HDMI源端設(shè)備未準(zhǔn)備好，此時(shí)接收端設(shè)備應(yīng)把HPD信號(hào)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(shè)備已準(zhǔn)備好，此時(shí)接收端設(shè)備根據(jù)自身的情況可以有選擇的將HPD信號(hào)置高電平，以通知HDMI源端設(shè)備，表明接收端設(shè)備也準(zhǔn)備好。

二是源端與接收端通信失敗下的模擬HPD操作。當(dāng)HDMI源端與接收端的通信剛建立時(shí)可能出現(xiàn)HDCP-KEY讀取失敗或EDID數(shù)據(jù)讀取錯(cuò)誤的情況，造成HDMI工作不正常，此時(shí)為了恢復(fù)正常的通信，需要進(jìn)行模擬的HPD操作，即由接收端設(shè)備將HPD信號(hào)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(shè)備會(huì)檢測(cè)HPD信號(hào)的跳變，重新發(fā)起讀取操作，為建立正常通信做進(jìn)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(lái)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?？紤]到以上兩個(gè)因素，設(shè)計(jì)者可以很容易地掌握HPD操作的軟件設(shè)計(jì)流程，如圖6所示。

圖6 HPD操作的軟件設(shè)計(jì)流程

2 CEC操作設(shè)計(jì)
CEC（消費(fèi)類電子控制）操作是HDMI接口的一個(gè)重要擴(kuò)展功能，它采用“一線”（One Wire）通信方式，將HDMI的設(shè)備連通起來(lái)，使HDMI設(shè)備之間的操作簡(jiǎn)單化。如果PS321采用內(nèi)置的EDID緩存區(qū)來(lái)配置，那么PS321的CEC操作設(shè)計(jì)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(dāng)HDMI接收端設(shè)備上電后，系統(tǒng)通過(guò)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(gè)端口的物理地址分配如下：端口1默認(rèn)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(rèn)地址的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)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(shè)置CEC物理地址的流程如圖8所示。

       圖8 硬件方式設(shè)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(lái)自EDID緩存區(qū)，是由系統(tǒng)通過(guò)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(diǎn)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(diào)用時(shí)將其映射到EDID緩存區(qū)。以軟件方式設(shè)置的CEC物理地址可以更改。軟件方式設(shè)置CEC物理地址的參考流程代碼如下：

Set HPD Low
//將HPD信號(hào)設(shè)為低電平
WriteREG(Page0.0x10,0x01)
//激活軟件方式設(shè)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 Address&checksum for HDMI2 to Page0.0x11～0x13
//將HDMI2物理地址及校驗(yàn)碼寫入寄存器0x11～0x13
Load CEC Physical Address&checksum for HDMI3 to Page0.0x14～0x16
//將HDMI3物理地址及校驗(yàn)碼寫入寄存器0x14～0x16
WriteREG(Page0.0x10,0x07)
//3個(gè)HDMI端口的EDID及CEC物理地址已準(zhǔn)備好
Set HPD High
//將HPD信號(hào)設(shè)為高電平

結(jié)語(yǔ)
通過(guò)PS321的應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步的了解HDMI開關(guān)在軟硬件設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。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(guān)將開發(fā)出集成更多、更新的功能應(yīng)用，例如，TMDS信號(hào)自適應(yīng)均衡化功能；HDMI-CEC指令接收、解碼及發(fā)送等功能。