- 汽車顯示器接口設計關鍵技術分析
- 增強的信號調理能力
- 增強的診斷能力
IMS Research的調查顯示，帶有視頻功能的汽車音響主機的數量將會由2006年的850萬臺增長到2015年的2660萬臺。為了既能向駕駛員提供信息，又不分散其注意力，顯示器需要安裝在遠離汽車音響主機的位置，并將畫面投影到擋風玻璃的背面。這種結合了圖像源和面板的視頻接口正在越來越多地從模擬視頻技術轉向質量更高的RGB(紅綠藍)數字視頻格式，后者已成為LCD顯示器中使用的標準接口。前端顯示應用的電纜長度通常保持在1到3米的范圍內，而后座娛樂(RSE)單元的電纜則需要達到8米甚至更長。這種連接支持千兆位/秒的數據傳輸速率，遠超過傳統車載網絡的波特率，并可以利用點對點串行器/解串器(SerDes)解決方案完美實現。與傳輸一路較寬的并行視頻總線相比，這種芯片組大大降低了傳輸線和連接器的引腳數量，從而實現了出眾的系統級優勢。
為滿足汽車顯示器接口方面的嚴苛要求，比如高數據吞吐量、超薄布線、高級信號調節、可檢測性以及超低EMI(電磁干擾)等。美國國家半導體(NS)公司開發出DS90UR905/6 和DS90UR907/8 SerDes芯片組，該產品是能將分辨率從QVGA(400 x 240)擴展到24位色深的XGA(1024 x 768)的嵌入式時鐘SerDes解決方案。寬范圍的像素時鐘頻率使汽車制造商只需在其整個車型系列中采用一個數字視頻顯示接口方案，即可覆蓋從雙畫面的小儀表盤面板、中控臺的LCD到更大尺寸的RSE顯示器應用。
視頻應用和SerDes概念
SerDes組件的目標應用領域是平板顯示器鏈路接口，它可以通過一根較長的串行電纜把圖像主機與顯示器連接起來。典型的例子包括：中央信息顯示器(CID)、儀表盤、頭枕上的娛樂顯示器或為后座乘客準備的車頂下降式顯示模塊，如圖1所示。這些新型芯片組是NS推出的"FPD-Link II"系列產品中的一組，它們可以將一個視頻源的27位數字RGB色彩信息和時間控制信號轉換成一個嵌入了時鐘信息的單一串行數據流在雙絞線上傳輸。芯片組在I/O(輸入/輸出)層采用高速的差分信號，也就是說，在"真"(正)端子上傳輸實際信號的同時，"互補"(負)端子上傳輸與之對應的相反極性信號。
并行LVCMOS輸入和輸出信號可以分別靈活地對準同步發射器輸入及接收器恢復輸出時鐘(PCLK)的上升沿或下降沿，這一特性大大簡化了串行器至圖像控制器以及解串器至LCD計時控制器的接口連接。在發射器并行時鐘周圍的一定頻段內，SerDes芯片組在"預同步"接收器的PLL時無需外部參考時鐘(石英或振蕩器)。甚至在一切可能的隨機數據模式傳輸過程中該同步都能得到保證，這被稱為"隨機數據鎖定"特性。這不僅節省了參考組件系統的成本，而且消除了另一個潛在的電磁干擾源。該性能還可以實現"熱插拔"，即在不需要任何特殊排序或訓練模式的情況下，就可以對送往解串器的串行數據流執行斷言/取消斷言操作。
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一旦接收器PLL鎖定在發射器的頻率下，即可由LOCK輸出標志引腳顯示這一狀態，確保接收器輸出的數據完整性。DS90UR907/8芯片組具有DS90UR905/6芯片組的一切特性，兩耳區別在于輸入輸出不再是發送LVCMOS信號的并行總線，而是遵照開放的工業標準"FPD-Link"。很多現代化的圖像控制器、顯示定時控制器、ASIC和FPGA都支持這種"一級串行化"技術，它采用適合18bpp的3個數據通道，或者適合24bpp的4個數據通道，每一個都有一路并行時鐘通道。電信號的發送遵循開放的ANSI/TIA/EIA-644A標準，該標準又稱作"LVDS"(低壓差分信號傳輸)。使用該接口技術代替常規LVCMOS的優勢在于：采用差分信號可降低電磁干擾，并減少組件的引腳數量，如圖3所示。
圖3 FPD-Link系統接口選項的優勢
FPD-Link II有效負載
在每一個像素時鐘周期內，28個"次符號"在差分I/O上經過時分多路復用，轉換成一個串行數據流。嵌入的有效負載包含24個顏色位、3個定時信號(水平同步-HS、垂直同步-VS和數據使能-DE)以及附加位。互連線路速率為28x像素時鐘。在65MHz下，該速率轉化為1.82Gbps。串行數據流由前端的"CLK1"HIGH 位和末尾的"CLK0"LOW位限定，由此可在每一個幀之間實現高低電平的平穩過渡，令串行器的PLL可以參照其進行同步并提取嵌入的時鐘信息。兩個附加位("DCA"和"DCB"位)位于每一個幀中間，它們包括嵌入在DCA 和 DCB位過渡過程的定時信號。有效負載位為了降低諧波電磁干擾和改善信號質量，經過了隨機化、平衡和加擾處理，同時為交流耦合建立了直流平衡。
由于電纜連接越長，發射器和接收器模塊之間越有可能出現接地電位漂移，交流耦合接口方案則可通過在傳輸線中采用串聯電容實現電勢解耦。串行器中的直流平衡編碼器和相應的解串器中的直流平衡解碼器可在串行鏈路上實現高低位之間的均勻分布，以防止ISI(符號間干擾)效應和由電容引起的靜態模式的阻塞。通過在兩端配置電容，該方案也可以在電纜損壞或者對地或板上凈電壓出現短路時提供輸入/輸出短路保護。隨機化和不規則性不僅能保證良好的眼圖開度，同時還能最小化互聯線路的電磁干擾，總體來說其編碼效率高于85%。
增強的信號調理能力
信號調理技術在推動長距離高速連接方面發揮了至關重要的作用，在串行器端采用了信號還原特性，圖4是一個信號還原操作的例子。這一串轉換的比特流，依次為0、1、000和1，圖形頂部給出了單端(SE)波形，可以在真值和輸出端子處相對于地電位進行測量。圖形底部給出了差分(DIFF)信號，相當于在其端子范圍內接收器輸入端的差分電壓擺幅。對于第一次轉換，發送的第一個信號是0，形成全差分擺幅。下一次轉換是一個1，同樣是全電壓擺幅。接下來在C、D和E時間幀中是一系列0，其中第一個0是全電壓擺幅。隨著之后時隙D和E中第二個和第三個0的到來，幅值將會下降，表示被信號"還原"了。因此電纜中的靜電荷將受到限制，否則它將會隨著時間增強。這使得在時隙F發送的末位1又形成全差分擺幅。信號還原特性通常是在傳輸線路中平衡高低頻信號的內能。總體效果就是清晰的信號眼圖張開，在由1或0組成的長序列之后是以一個單獨的比特位轉換。信號還原層是可編程的，以便為特定電纜媒介調整至最佳補償水平。
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擴頻時鐘
解串器通過一塊集成可配置的擴頻時鐘(SSC)生成器得到增強。在接收器輸出總線端，這會導致輸出時鐘頻率和數據頻譜隨著時間推移而以幾十KHz的低調制率產生輕微變化。如圖5所示，頻率變化可以發生在名義像素時鐘中心頻率附近("中心擴頻調制")，或朝向更低的頻率("向下擴頻調制")。頻譜擴展百分比可高達±2%。擴頻時鐘將峰值能量分散在更寬的頻譜范圍內，從而大大降低了電磁干擾噪聲水平，而不是在同一時間點上、以恒定頻率來轉換所有輸出，此時的輻射噪聲集中在一個窄頻段內，所有輸出數據都與輸出時鐘同步，這使得數據和時鐘得到有效擴展。特別是DS90UR906接收器輸出具有低壓(LV)CMOS接口選項，可以大大降低電磁輻射。
另一個特性是內建自測試(BIST)功能。在這種模式下，發射器發送偽隨機碼序(PRBS)。接收器內部產生同樣的序列，并與接收的位模式進行比較。為了在整體測試時間和需要驗證的最低比特誤碼率之間找到最佳折衷方案，用戶可以控制BIST的持續時間。在遇到有誤碼的有效負載時，PASS引腳會以時鐘方式進行切換。PASS引腳存放BERT(誤碼率測試)的最終結果。如果測試失敗，說明出現了一個或多個負載錯誤;如果測試通過，說明PRBS序列的傳播和接收均無差錯。在鏈路遠端，BIST無需任何數據發生器、數據記錄或測量系統。汽車生產商可使用BIST模式來測試系統和檢查鏈路運行。它還可以用作系統開發階段的試驗臺，在沒有視頻源的情況下向整個鏈路發送數據，同時僅在發射器上施加時鐘信號。在服務或故障排除階段，可利用系統測試來驗證鏈路正常工作，以此在主機或顯示端上鎖定問題范圍。最終當汽車啟動后，顯示接口可進行例行檢查并驗證連接性。
更多增強功能
更多增強功能包括集成的終端電阻，它降低了電路板設計的復雜性，使成本更低，板極空間更小。解串器的輸入端提供了一個終端共模濾波器引腳。建議用戶將共模引腳通過電容接地以確保穩定，并保證頻率濾除共模電壓。這將減少對外界的電磁輻射水平，同時可以提高對外界噪聲源的抵抗能力。通常通過大電流注入(BCI)測試對數字視頻鏈路對外部干擾的抵抗能力進行研究，利用電感將高達300mA的側電流調制到電纜屏蔽罩上。I/O 庫通過VDDIO供電，1.8V或3.3V均可。這樣的靈活性可以利用低接口電平的優勢，并提供與下游器件的兼容性。
一般來說，當在1.8V電壓下操作組件時，電磁干擾水平也隨之降低。斷電情況下，解串器的輸出電壓狀態可以設置為三態(高阻)或低阻。像素時鐘(PCLK)狀態也可設置為三態或低阻，以選擇停止內部振蕩器。在后者的情況下，無論是否有輸入信號，時鐘輸出會一直存在。當接口僅與短距離的輕負載總線連接時，接收器驅動強度(RDS)特性可以最小化輸出總線的電流消耗，減慢輸出邊緣轉換率并最終降低電磁干擾。芯片組支持-40℃ 到 +105℃的超寬溫度范圍，可適用于不同工作環境下的各種汽車電子系統。這些芯片組采用LLP封裝，占用的空間很小，并通過了RoHS認證和AEC-Q100 Grade 2標準的全面汽車應用認證。
本文小結
新型DS90UR905/6 和DS90UR907/8 FPD-Link II型芯片組具有許多系統優勢和增強特性。并行視頻總線通過一個嵌入式時鐘串行化到一個單組中，這降低了系統成本，消除了時鐘/數據偏斜問題，減少了噪聲，并將鏈路延伸至遠途電纜距離。芯片組支持從QWVGA到24位色深XGA的所有普通汽車LCD分辨率。為了促進系統設計、合格審定和批準，設計人員能將更多注意力集中到如何降低EMI的特性上。這樣可以在不犧牲可靠性的情況下盡可能降低防護要求的成本。診斷BIST模式有利于工廠測試和實際應用，對故障排除的測試和診斷也有益處。作為FPD-Link II系列產品中的第三代芯片組，其組件基于已驗證和可信賴的IP協議，并且與前幾代芯片組后向兼容。FPD-Link II芯片組系列代表了針對汽車行業進行優化并支持真正即插即用的方案，因為它與低密度線路結合使用時不影響性能，且帶寬高、功耗低、低EMI、耐用并可實現自主鏈路同步。
