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隨著(zhù)消費類(lèi)電子功能需求的增加，HDMI作為新一代的數字音視頻接口越來(lái)越多的應用到消費類(lèi)電子產(chǎn)品上。帶HDMI功能的電子產(chǎn)品大量問(wèn)世，HDMI的接口數量也隨之增加。數字電視作為音視頻表現的一種載體，其HDMI接口的應用主要作為數字音視頻數據的接收端。為了能使數字電視連接更多的HDMI設備，許多集成電路設計公司都適時(shí)推出了三選一或四選一的HDMI開(kāi)關(guān)，用于滿(mǎn)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(kāi)關(guān)PS321的應用設計。 硬件設計 1 芯片選型 PS321作為一款三選一的HDMI開(kāi)關(guān)，與其他廠(chǎng)商相類(lèi)似的產(chǎn)品相比較具有較多優(yōu)勢。將PS321與另一款通用的三選一HDMI開(kāi)關(guān)進(jìn)行比對，結果如表1所示。 從以上比對中可以看出PS321具有以下優(yōu)勢。 ● 在數據傳輸率、HDMI線(xiàn)傳輸距離、節能以及ESD（防靜電）方面具有優(yōu)勢； ● 支持I2C控制，方便設計者使用； ● 內置EDID緩存，無(wú)須在HDMI接口上外加用來(lái)存儲EDID數據的E2PROM，從而降低電路成本； ● 內置均衡器，可調節增益，用來(lái)彌補HDMI信號在線(xiàn)路上的傳輸損失。 2 電路設計 ①DDC接口電路設計 DDC（顯示數據通道）主要用于HDMI源端設備（Source）與接收端設備（Sink）之間進(jìn)行EDID數據及HDCP密鑰的交流。通過(guò)EDID交流，源端設備可以了解到接收端設備音視頻的接收能力；通過(guò)HDCPKey的交流，可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行數據流的內容保護認證，從而達到數據內容保護的目的。DDC的電路方式與I2C電路相同，因此在DDC電路設計中，設計者要考慮到DDC線(xiàn)路的電平。按照HDMI 1.3a規范，HDMI源端DDC的上拉電阻最小為1.5kΩ，考慮到HDMI認證中DDC電平的要求（在 4.5～5.5V之間），將DDC信號均通過(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)測試，接收端DDC的電平約為4.68V，因此滿(mǎn)足HDMI認證要求；而DDC總上拉電阻的最小值1.3kΩ也滿(mǎn)足I2C的規范。 圖1 DDC接口電路圖 由于PS321的DDC內部有弱上拉，當HDMI接口未接HDMI源設備時(shí)，DDC內部的上拉電平會(huì )通過(guò)10kΩ的電阻傳遞到HDMI接口的第18引腳，導致HDMI接口的第18引腳電平大于1.5V，不滿(mǎn)足HDMI認證要求。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)測試，當HDMI接口未接HDMI源設備時(shí)，HDMI接口的第18引腳電平約為0.5V，滿(mǎn)足HDMI認證要求。 ②均衡器設計 均衡器設計主要是針對弱信號做必要的信號整形，以保證HDMI數據傳輸的完整性。在I2C工作方式下，可通過(guò)寄存器來(lái)設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(kāi)調節，如表2所示。設計者可以通過(guò)3個(gè)HDMI輸入端口信號的損失情況來(lái)決定采用哪一擋。 進(jìn)行如下測試：準備兩根HDMI線(xiàn)，一根長(cháng)5m，一根長(cháng)10m，在均衡器增益均為默認值下同樣傳輸2.25Gb/s數據率的信號，得到如圖2所示的數據眼圖。經(jīng)比對，10m長(cháng)的傳輸眼圖的面積比5m的小，但還不影響傳輸信號的完整性。設計者在使用均衡器設計時(shí)，需要判斷信號的強弱以決定采用哪一擋的增益。目前在電視設計中經(jīng)常遇到需要一個(gè)側置的HDMI接口，而HDMI開(kāi)關(guān)通常在主板上，離側置的HDMI接口有一段距離。當然此距離一般不會(huì )超過(guò)1m，采用標準的HDMI線(xiàn)不會(huì )影響到信號質(zhì)量，但是如果采用普通的連接線(xiàn)就可能造成信號失真。此時(shí)需要通過(guò)適當提高均衡器的增益大小，以保證信號傳輸的完整性。如圖3所示。左側為PS321輸入端采集的普通連接線(xiàn)的傳輸信號，可以看到眼圖面積變小，信號的損失很大；右側為經(jīng)過(guò)PS321提高均衡器的增益后采集的傳輸信號，可以看到信號經(jīng)整形后恢復完整性。 圖2 2.25Gb/s數據率的傳輸眼圖 圖3 提高均衡器的增益以保證信號傳輸的完整性 ③TMDS信號的PCB設計 HDMI數據流以TMDS信號形式傳輸，包括三對差分數據線(xiàn)和一對差分時(shí)鐘線(xiàn)。根據HDMI1.3a規范，要求TMDS差分阻抗為100Ω±15％。如果按照兩層PCB來(lái)設計，如圖4所示。經(jīng)計算，兩層PCB的厚度為61.2＋1.9 ＋1.9＝65mil，約為1.6mm；PCB板材的介電常數為4.2。根據TMDS差分阻抗為100Ω的目標要求，將以上參數帶入差分阻抗計算軟件Polar Si9000中計算，將得到PCB設計的指導參數，如圖5所示。 圖4 雙層PCB架構 圖5 差分阻抗計算 從圖5中可以得出以下PCB設計參數：差分走線(xiàn)寬度為12.5mil；差分線(xiàn)間距為5mil；差分阻抗約為100Ω。 軟件設計 1 HPD操作設計 HPD（Hotplug熱插拔）操作設計是HDMI接口軟件設計的一個(gè)重要環(huán)節，它是由接收端設備（Sink）發(fā)出的，在與HDMI源端設備（Source）之間建立正式通信的前奏信號。HPD信號電平為高時(shí)表示接收端設備已經(jīng)準備好了，允許源端設備訪(fǎng)問(wèn)接收端設備。 在HPD操作的軟件設計中，要考慮如下兩個(gè)因素。 一是HDMI源端設備輸出的電源腳（HDMI接收端插座的第18引腳）的檢測。如果HDMI接收端插座的第18引腳為低電平，表示HDMI源端設備未準備好，此時(shí)接收端設備應把HPD信號置低電平；如果HDMI接收端插座的第18引腳為高電平，表示HDMI源端設備已準備好，此時(shí)接收端設備根據自身的情況可以有選擇的將HPD信號置高電平，以通知HDMI源端設備，表明接收端設備也準備好。 二是源端與接收端通信失敗下的模擬HPD操作。當HDMI源端與接收端的通信剛建立時(shí)可能出現HDCP-KEY讀取失敗或EDID數據讀取錯誤的情況，造成HDMI工作不正常，此時(shí)為了恢復正常的通信，需要進(jìn)行模擬的HPD操作，即由接收端設備將HPD信號從高電平拉為低電平，HPD低電平持續100ms左右，再拉回高電平，這樣源端設備會(huì )檢測HPD信號的跳變，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定引起的故障�？紤]到以上兩個(gè)因素，設計者可以很容易地掌握HPD操作的軟件設計流程，如圖6所示。 圖6 HPD操作的軟件設計流程 2 CEC操作設計 CEC（消費類(lèi)電子控制）操作是HDMI接口的一個(gè)重要擴展功能，它采用“一線(xiàn)”（OneWire）通信方式，將HDMI的設備連通起來(lái)，使HDMI設備之間的操作簡(jiǎn)單化。如果PS321采用內置的EDID緩存區來(lái)配置，那么PS321的CEC操作設計主要是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HDMI接收端設備上電后，系統通過(guò)I2C將EDID數據包括HDMI端口1的物理地址寫(xiě)入PS321的EDID 緩存區，HDMI 3個(gè)端口的物理地址分配如下：端口1默認為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默認地址的基礎上實(shí)現“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。 硬件方式設置CEC物理地址的流程如圖8所示。 圖8 硬件方式設置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，是由系統通過(guò)I2C將EDID數據包括HDMI端口1的物理地址寫(xiě)入PS321的EDID緩存區，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(zhuān)門(mén)的寄存器中，調用時(shí)將其映射到EDID緩存區。以軟件方式設置的CEC物理地址可以更改。軟件方式設置CEC物理地址的參考流程代碼如下： Set HPD Low //將HPD信號設為低電平 WriteREG(Page0.0x10,0x01) //激活軟件方式設置CEC物理地址 Load EDID to PS321 EDID Buffer for HDMI1 //將EDID數據包括HDMI端口1的物理地址寫(xiě)入EDID緩存區 Load CEC Physical Address location to Page0.0x17 //將CEC物理地址的位置寫(xiě)入寄存器0x17 Load CEC Physical Address&checksum for HDMI2 to Page0.0x11～0x13 //將HDMI2物理地址及校驗碼寫(xiě)入寄存器0x11～0x13 Load CEC Physical Address&checksum for HDMI3 to Page0.0x14～0x16 //將HDMI3物理地址及校驗碼寫(xiě)入寄存器0x14～0x16 WriteREG(Page0.0x10,0x07) //3個(gè)HDMI端口的EDID及CEC物理地址已準備好 Set HPD High //將HPD信號設為高電平 結語(yǔ) 通過(guò)PS321的應用設計，可以進(jìn)一步的了解HDMI開(kāi)關(guān)在軟硬件設計方面的設計要點(diǎn)。隨著(zhù)HDMI接口的大量使用以及高清音視頻數據流的發(fā)展，HDMI開(kāi)關(guān)將開(kāi)發(fā)出集成更多、更新的功能應用，例如，TMDS信號自適應均衡化功能；HDMI-CEC指令接收、解碼及發(fā)送等功能。 |
