基于DVI接口的LED視頻控制系統(tǒng)研究

摘要：本文從分析DVI接口的工作原理入手,探討了基于DVI 接口的LED視頻控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的VGA接入方式,不需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換和處理,減少了信號(hào)損失,有利于提高整個(gè)顯示系統(tǒng)的性能。

關(guān)鍵詞：DVI接口;T.M.D.S.鏈路;LED顯示屏;FPGA

引言

目前,大多數(shù)LED視頻系統(tǒng)都是通過 VGA接口從計(jì)算機(jī)獲取數(shù)據(jù)源,但在LED顯示系統(tǒng)中,信號(hào)經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換,難免會(huì)造成一些圖像細(xì)節(jié)的損失。

DVI(數(shù)字視接口)的工作原理就是將顯卡產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)原封不動(dòng)地傳輸給數(shù)字顯示器,在信號(hào)傳輸過程中沒有任何信號(hào)損失,并且能有效防止外界雜散信號(hào)的干擾。因此,研究設(shè)計(jì)基于DVI接口的LED視頻控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

DVI概述及工作原理

DVI是由 DDWG(數(shù)字顯示工作組)組織制定的高速數(shù)字信號(hào)傳輸接口技術(shù),有DVI-D 和DVI-I 兩種不同的接口形式。目前應(yīng)用主要以DVI-D為主。

DVI 采用T.M.D.S.(轉(zhuǎn)換最小差分信號(hào))技術(shù)來傳輸數(shù)字信號(hào)。T.M.D.S.是一種微分信號(hào)機(jī)制,可以將像素?cái)?shù)據(jù)編碼,并通過串行連接傳遞。DVI 接口協(xié)議支持單鏈路 T.M.D.S.和雙鏈路 T.M.D.S.兩種方式。單鏈路的傳輸速率可達(dá) 4.9Gbps,具有3個(gè)數(shù)據(jù)通道及1個(gè)頻率信號(hào)對(duì)。單 T.M.D.S.鏈路只提供 24位色深,當(dāng)用戶要求的色深超過 24位時(shí),并且系統(tǒng)已經(jīng)確認(rèn)顯卡和顯示器都支持雙鏈路T.M.D.S.時(shí),系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)雙 T.M.D.S.鏈路。本系統(tǒng)僅用到單鏈路。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由視頻源、解碼、數(shù)據(jù)處理與顯示控制三部分組成,如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

解碼模塊

DVI 接口支持即插即用功能,要求接收設(shè)備符合VESA的DDC2B或更高版本的通訊協(xié)議,DDC2B構(gòu)建在I2C總線上,通過DDC(顯示數(shù)據(jù)通道)通道來傳遞顯示設(shè)備的EDID(擴(kuò)展顯示標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)),從而實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)顯示設(shè)備的識(shí)別和正確配置。EDID內(nèi)部包含了顯示設(shè)備的EDID版本信息、色度系數(shù),以及可支持的分辨率、場(chǎng)頻、行頻等參數(shù)。

EDID數(shù)據(jù)存放在DVI解碼電路的AM24LC02芯片中,該芯片為2Kb(256×8),I2C 總線、CMOS工藝的串行EEPROM存儲(chǔ)器。電源VCC的范圍為 2.7V~5.5V,可以通過把 WP引腳接電源來對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器寫保護(hù),此時(shí),存儲(chǔ)器的內(nèi)容不可更改。將DVI接口插座的第16腳(熱插拔檢測(cè)端)通過1KW上拉電阻和第14腳(+5V電源端)相連,構(gòu)成顯示設(shè)備的HPD (熱插拔檢測(cè))信號(hào)。AM24LC02芯片的時(shí)鐘線(SCL)、數(shù)據(jù)線(SDA)和DVI接口插座的第6、7腳相接,當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí),AM24LC02 在時(shí)鐘 SCL 的同步控制下通過 DDC 通道向PC機(jī)傳送 EDID數(shù)據(jù)。只有當(dāng)PC機(jī)識(shí)別和正確配置后,TDMS鏈路才會(huì)被激活。

TFP101A 是一種T.M.D.S.信號(hào)接收芯片,通過檢測(cè)DE信號(hào)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變來確定鏈路的激活狀態(tài)。如果106個(gè)像素時(shí)鐘過后,DE狀態(tài)未發(fā)生變化,則認(rèn)為鏈路未激活,輸出SCDT (同步檢測(cè)指示信號(hào)) =0;在SCDT=0的情況下,如果發(fā)現(xiàn)在1024個(gè)像素時(shí)鐘內(nèi)DE信號(hào)有兩次轉(zhuǎn)變,則認(rèn)為鏈路已激活,輸出SCDT=1。RX2-和 RX2+表示紅色數(shù)據(jù)的差分信號(hào),RX1-和 RX1+表示綠色數(shù)據(jù)的差分信號(hào), RX0-和 RX0+表示藍(lán)色數(shù)據(jù)的差分信號(hào),分別與DVI接口的單鏈路通道相接(1、2、9、10、17、18腳);RXC-和 RXC+是表示時(shí)鐘的差分信號(hào),與鏈路時(shí)鐘相接(23、24腳)。TFP101A內(nèi)部鎖相環(huán)回路從時(shí)鐘通道獲得同步時(shí)鐘,為后繼的T.M.D.S.碼元數(shù)據(jù)恢復(fù)、像素時(shí)鐘同步以及T.M.D.S.信號(hào)解碼提供參考時(shí)鐘,同時(shí)也作為前端鎖存器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行4倍過采樣的參考時(shí)鐘,T.M.D.S.解碼器將 10位的串行T.M.D.S.編碼解碼成8位并行像素?cái)?shù)據(jù)以及相應(yīng)控制信號(hào),并從輸出接口電路將像素?cái)?shù)據(jù)、控制信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)和行同步信號(hào)并行輸出。

數(shù)據(jù)處理與顯示控制模塊

數(shù)據(jù)處理與顯示控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)顯示數(shù)據(jù)作進(jìn)一步地轉(zhuǎn)換、處理,產(chǎn)生符合 LED顯示屏灰度級(jí)顯示的數(shù)據(jù),并將其送入驅(qū)動(dòng)電路。數(shù)據(jù)處理與顯示控制模塊原理圖如圖2所示,主要由數(shù)據(jù)緩沖處理(雙口RAM)、讀/寫控制、灰度掃描控制、驅(qū)動(dòng)4部分組成,SRAM1、SRAM2 作為幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

圖2 數(shù)據(jù)處理與顯示控制模塊原理圖

虛線框內(nèi)的 FPGA 控制器內(nèi)部的程序流程圖如圖3 所示。主要完成的功能有四個(gè)。

圖3 FPGA控制器程序流程圖

一是數(shù)據(jù)重構(gòu)。由于本設(shè)計(jì)采用占空比的方法來實(shí)現(xiàn) LED顯示屏的灰度,每個(gè)像素由紅色(R)、綠色(G)、藍(lán)色(B)各 8位的二進(jìn)制數(shù)組成,所以計(jì)算機(jī)一幀的視頻數(shù)據(jù)信息,在 LED 屏上就需要分 8 次來顯示,依次為 bit0、bit1、bit2、…bit7,通過控制這些不同位視頻數(shù)據(jù)信息點(diǎn)亮 LED 時(shí)間的不同來實(shí)現(xiàn)灰度。因此,需要數(shù)據(jù)緩沖處理模塊(雙口RAM)對(duì)每幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。

二是截取視頻源。由于本設(shè)計(jì)選取的視頻源分辨率為1024×768,刷新率為65Hz, LED屏大小為320×128。所以像素?cái)?shù)據(jù)寫入雙口RAM的同時(shí),需根據(jù)所要顯示的LED屏大小,對(duì)重構(gòu)的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)截取并存入幀存儲(chǔ)器。

三是讀寫控制。當(dāng)行同步信號(hào)HSYNC和數(shù)據(jù)使能信號(hào)DE同時(shí)有效時(shí),讀/寫地址計(jì)數(shù)器同時(shí)開始計(jì)數(shù)。采用ping-pang邏輯,某一時(shí)刻幀存儲(chǔ)器A從緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)時(shí),按照分區(qū)掃描的規(guī)則讀取幀存儲(chǔ)器B內(nèi)的像素?cái)?shù)據(jù),并經(jīng)并/串轉(zhuǎn)換后發(fā)送至LED屏。兩者輪流切換,保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸。

四是灰度掃描控制。本設(shè)計(jì)采用占空比控制方法來實(shí)現(xiàn) LED 屏的灰級(jí),整個(gè)屏可以分成 8 個(gè)區(qū),每個(gè)區(qū) 16行,每一行每一列的數(shù)據(jù)可用 8位的二進(jìn)數(shù)表示。對(duì)于每一區(qū)首先掃描顯示 16 行各列 8位灰度值的 D0 位,然后掃描顯示 16 行各列灰度值的 D1 位。依次類推,直到掃描顯示 16 行各列灰度值的 D7 位。且8個(gè)區(qū)的掃描是同時(shí)進(jìn)行的。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過對(duì) DVI 接口技術(shù)的深入研究,探討了基于 DVI 接口的LED 視頻控制系統(tǒng)方案。該控制系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的VGA接入方式,運(yùn)用顯卡的DVI接口作為數(shù)據(jù)源,不需要進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換和處理,減少了信號(hào)損失。因此,不論從信號(hào)質(zhì)量還是后處理考慮,都有利于提高整個(gè)顯示系統(tǒng)的性能。