利用CME-M5實(shí)現(xiàn)1080P高清字符疊加的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

隨著信息化技術(shù)的提高，人們對(duì)于視覺欣賞的要求越來(lái)越高。“視覺沖擊力”成為人們?cè)u(píng)判顯示性能的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。視覺沖擊力不僅要求畫面尺寸超大，最主要的還要要求畫面顯示清晰，包括圖片與文字。為了滿足這種訴求，本文以京微雅格CME-M5（金山）為例，為您分析如何在HDMI高清信號(hào)中疊加字符，并且最終實(shí)現(xiàn)高清輸出的過程。

如下圖所示，不難看出， 就是把一路HDMI高清信號(hào)通過HDMI轉(zhuǎn)RGB芯片送到CME-M5后，與外部的字符芯片進(jìn)行高清疊加后，再通過RGB轉(zhuǎn)HDMI送出來(lái)。

拋開其它的功能，從最最簡(jiǎn)單By-Pass開始驗(yàn)證， 就是說， 150MHz的24bit RGB進(jìn)，不作任何處理，直接把150MHz的24 bit RGB送出，如果By-Pass都搞不定，其它功能再調(diào)試也是枉然。By-Pass的關(guān)鍵代碼如下：

以列灰階的驗(yàn)證，是最容易看出問題的。簡(jiǎn)單補(bǔ)充一下，什么叫灰階？

灰階代表了由最暗到最亮之間不同亮度的層次級(jí)別。這中間層級(jí)越多，所能夠呈現(xiàn)的畫面效果也就越細(xì)膩。以8bit panel為例，能表現(xiàn)2的8次方，等于256個(gè)亮度層次，我們就稱之為256灰階。

對(duì)應(yīng)于數(shù)字邏輯來(lái)說， 就是R/G/B從0~255漸變的過程，分成256等份，遞增為1, 叫256灰階;分成8等份，遞增值為32，叫8灰階。

假設(shè)計(jì)是256級(jí)的黑白灰屏， R-G-B三色同時(shí)由FF變?yōu)?0，即24根數(shù)據(jù)線同時(shí)電平翻轉(zhuǎn)，這對(duì)FPGA芯片的供電、速度要求是最高的， 所以專用測(cè)試驗(yàn)證來(lái)看，灰階基本上可以驗(yàn)證視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量是否穩(wěn)定可靠， 其它的拿圖片混過關(guān)的實(shí)際上都不算數(shù)的。

那好吧， 我們就以256灰階作為參考圖例驗(yàn)證。

按照一般CPLD EPM240的設(shè)計(jì)， 直通的效果是完美，不用懷疑，已經(jīng)過廣泛的使用。正常的效果如下，沒亮線，沒噪點(diǎn)。

而在通過M5-ByPass的顯示效果如下所示（幾張示例圖片），幾種顏色的灰階都出現(xiàn)亮線。

根據(jù)以上可得， 像CPLD那種By-Pass的方式是行不通的。 引起灰階亮線問題，一般有兩個(gè)：
（1）一個(gè)是驅(qū)動(dòng)電流不足;
（2）另一個(gè)是IO或時(shí)鐘速度跟不上，數(shù)據(jù)沒有對(duì)齊;

先從第一個(gè)解決方案著手，在primace7.2下把默認(rèn)的HS,VS輸出4mA(default)改為8mA，對(duì)翻轉(zhuǎn)速度比較快的PCLK改為16mA。而輸入全部加拉弱上拉，改了以后僅對(duì)黃色灰階有改善（看不出亮線），其它的并沒有改進(jìn)行。

進(jìn)行第二個(gè)方案，解決數(shù)據(jù)對(duì)齊的問題。 加入FastIO設(shè)置，效果也沒有明顯示的改善。

最終考慮，還是用同步時(shí)鐘把RGB-HS-VS打一拍同步進(jìn)來(lái)試試看， 代碼也非常簡(jiǎn)單，如下所示。

出來(lái)的效果是讓人滿意的。之前的所有彩色灰階，顯示正常，如下所示。

準(zhǔn)備收工舉杯慶祝的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)最后一關(guān)仍然沒過，那就是該死的256黑白灰階，還剩下一條亮線了，按照一般應(yīng)用，都是圖片疊加文字，是能混過去的。因?yàn)榈搅诉@一步好像沒什么可以調(diào)整了，設(shè)計(jì)太簡(jiǎn)單了，也曾想過，那就這樣吧，M5的性能也就只能到這里。

亮線的問題除了跟數(shù)據(jù)有關(guān)，也跟時(shí)鐘有關(guān)，PCLK的電流設(shè)置到16mA，帶來(lái)增加驅(qū)動(dòng)能力的好處，同時(shí)也會(huì)增大電平翻轉(zhuǎn)的過沖。如下圖所示，綠色的方波是我們想要的最佳波形，紅色波形卻是實(shí)際的情況，拿張M5的電路，示波器測(cè)試一下即可驗(yàn)證。

如果能把過沖收拾掉同時(shí)能保持16mA的電流，這個(gè)信號(hào)就是完美的。我們希望是這樣，現(xiàn)在還剩下一個(gè)看似不重要的參數(shù)仍然可以調(diào)整，叫做Slew-Rate?？瓷先ザ际悄J(rèn)最快的Fastest(default)，都已經(jīng)最快，還是什么可調(diào)節(jié)呢，我們不是要求最快的嗎？

由于英文不太好，百度搜索了一下Slew-Rate的意思。

slew rate 就是電壓轉(zhuǎn)換速率（Slew Rate），簡(jiǎn)寫為SR，簡(jiǎn)稱壓擺率。其定義是在1微秒或者1納秒等時(shí)間里電壓升高的幅度，直觀上講就是方波電壓由波谷升到波峰所需時(shí)間。
如下圖所示。

也就是說slew-rate是能夠影響PCLK方波輸出的爬升的時(shí)間，slew-rate越快，翻轉(zhuǎn)速度越快，過沖越大，反之爬升的時(shí)間越慢，過沖就越少。這跟運(yùn)算放大器通過調(diào)節(jié)電容控制轉(zhuǎn)換時(shí)間是一致的，slew-rate的調(diào)節(jié)跟調(diào)整電容器是類似的，有電容就有可能吃掉過沖干擾。

分析完畢，在primace的軟件設(shè)置如下。

運(yùn)行結(jié)果比想象中的要好，如下所示， 灰階的亮線也是不見了，非常干凈。可以收工，往下一步走了。

對(duì)于應(yīng)用來(lái)看， Fastest的Slew-Rate未必如其名，速度是最快的，它可以導(dǎo)致其它問題的產(chǎn)生，適當(dāng)微調(diào)各類參數(shù)，有時(shí)也會(huì)有意想不到的好結(jié)果。 當(dāng)然也證明了CME-M5的IO是有能力實(shí)現(xiàn)150MHz的高清視頻傳輸。

此文僅作拋磚引玉，實(shí)際問題還得實(shí)際分析，如果能對(duì)大家有一定借鑒，那將是莫大的榮幸。