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,不需要進行 A/D轉(zhuǎn)換和處理,減少了信號損失,有利于提高整個顯示系統(tǒng)的性能。

關鍵詞：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接口從計算機獲取數(shù)據(jù)源,但在LED顯示系統(tǒng)中,信號經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換,難免會造成一些圖像細節(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)字信號原封不動地傳輸給數(shù)字顯示器,在信號傳輸過程中沒有任何信號損失,并且能有效防止外界雜散信號的干擾。因此,研究設計基于DVI接口的LED視頻控制系統(tǒng)有較強的實用價值。

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)字信號傳輸接口技術,有DVI-D 和DVI-I 兩種不同的接口形式。目前應用主要以DVI-D為主。

DVI 采用T.M.D.S.(轉(zhuǎn)換最小差分信號)技術來傳輸數(shù)字信號。T.M.D.S.是一種微分信號機制,可以將像素數(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 4.9Gbps,具有3個數(shù)據(jù)通道及1個頻率信號對。單 T.M.D.S.鏈路只提供 24位色深,當用戶要求的色深超過 24位時,并且系統(tǒng)已經(jīng)確認顯卡和顯示器都支持雙鏈路T.M.D.S.時,系統(tǒng)會啟動雙 T.M.D.S.鏈路。本系統(tǒng)僅用到單鏈路。

控制系統(tǒng)設計

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,要求接收設備符合VESA的DDC2B或更高版本的通訊協(xié)議,DDC2B構建在I2C總線上,通過DDC(顯示數(shù)據(jù)通道)通道來傳遞顯示設備的EDID(擴展顯示標識數(shù)據(jù)),從而實現(xiàn)PC機對顯示設備的識別和正確配置。EDID內(nèi)部包含了顯示設備的EDID版本信息、色度系數(shù),以及可支持的分辨率、場頻、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引腳接電源來對整個存儲器寫保護,此時,存儲器的內(nèi)容不可更改。將DVI接口插座的第16腳(熱插拔檢測端)通過1KW上拉電阻和第14腳(+5V電源端)相連,構成顯示設備的HPD (熱插拔檢測)信號。AM24LC02芯片的時鐘線(SCL)、數(shù)據(jù)線(SDA)和DVI接口插座的第6、7腳相接,當系統(tǒng)上電時,AM24LC02 在時鐘 SCL 的同步控制下通過 DDC 通道向PC機傳送 EDID數(shù)據(jù)。只有當PC機識別和正確配置后,TDMS鏈路才會被激活。

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

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責對顯示數(shù)據(jù)作進一步地轉(zhuǎn)換、處理,產(chǎn)生符合 LED顯示屏灰度級顯示的數(shù)據(jù),并將其送入驅(qū)動電路。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4部分組成,SRAM1、SRAM2 作為幀數(shù)據(jù)存儲器。

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。

圖3 FPGA控制器程序流程圖

一是數(shù)據(jù)重構。由于本設計采用占空比的方法來實現(xiàn) LED顯示屏的灰度,每個像素由紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)各 8位的二進制數(shù)組成,所以計算機一幀的視頻數(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)信息點亮 LED 時間的不同來實現(xiàn)灰度。因此,需要數(shù)據(jù)緩沖處理模塊(雙口RAM)對每幀圖像數(shù)據(jù)進行重構。

二是截取視頻源。由于本設計選取的視頻源分辨率為1024×768,刷新率為65Hz, LED屏大小為320×128。所以像素數(shù)據(jù)寫入雙口RAM的同時,需根據(jù)所要顯示的LED屏大小,對重構的像素數(shù)據(jù)進行相應截取并存入幀存儲器。

三是讀寫控制。當行同步信號HSYNC和數(shù)據(jù)使能信號DE同時有效時,讀/寫地址計數(shù)器同時開始計數(shù)。采用ping-pang邏輯,某一時刻幀存儲器A從緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)時,按照分區(qū)掃描的規(guī)則讀取幀存儲器B內(nèi)的像素數(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。本設計采用占空比控制方法來實現(xiàn) LED 屏的灰級,整個屏可以分成 8 個區(qū),每個區(qū) 16行,每一行每一列的數(shù)據(jù)可用 8位的二進數(shù)表示。對于每一區(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個區(qū)的掃描是同時進行的。

結語

本設計通過對 DVI 接口技術的深入研究,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,運用顯卡的DVI接口作為數(shù)據(jù)源,不需要進行 A/D轉(zhuǎn)換和處理,減少了信號損失。因此,不論從信號質(zhì)量還是后處理考慮,都有利于提高整個顯示系統(tǒng)的性能。