DP与DVI接口在4K显示器上叠加显示的电路设计

金永明，蒋 韬（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210000）

DP与DVI接口在4K显示器上叠加显示的电路设计

金永明，蒋 韬
（中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210000）

本文描述了DP和DVI接口在4K显示器上叠加显示的电路设计原理，提供了基于STDP9320电路芯片为核心的电路实现，同时对与电路相关的驱动软件进行了规划。本电路不但功能和性能稳定，同时电路设计和实现方便，具有一定的使用价值。

DP；DVI；叠加显示

0　引言

2014年以来，显示器领域发展的最大亮点：4k（分辨率3840*2160）显示器量产化和商业化。随着4K显示器的普及，显示器接口也同步发展中。DP（Display Port）视频接口升级到1.2版本后，从数据吞吐率等方面较好地适配了4K显示器显示器，成为4K显示器标配视频接口。

4K分辨率显示器的商业化应用，结合DP1.2视频接口标准确定，大大地推动了医疗高清显示、视频会议高清显示等高端应用。考虑到在上述显示领域DVI接口的大量使用，因此本文提出了DP与DVI视频接口在4K显示器上叠加显示的电路设计和实现，既可以充分利用已有的电子资源，同时可快速进行电子设备升级换代。

DP与DVI视频接口叠加电路主要以STDP9320视频处理芯片为主，通过两片STDP9320视频处理芯片级联，配合视频处理芯片内部控制程序驱动4K显示器视频显示，控制输入DVI视频信号的叠加显示，此叠加显示电路采用专用4k视频处理芯片完成视频叠加显示，电路功能和性能稳定可靠。在实际使用过程中，上述叠加电路用一定的实用价值和应用价值。

1　电路原理设计

本视频电路重点在4K显示器上完成视频叠加显示，因此电路核心为4K显示器视频显示。通过对商业化4K显示器驱动电路解剖和分析，确定目前市场上4K显示器视频驱动芯片主要采用：1，商业化专用视频处理芯片，如ST公司、MStar公司、Realtek公司等提供成熟技术的视频芯片；2非商业化视频处理公司采用FPGA以及专业视频内核，编程实现4K显示器视频显示。后期经过技术研讨和难度评判，结合上述两种技术路线的功能和性能对比，本视频电路采用ST公司新一代视频处理芯片STDP9320完成4K显示器视频显示。

STDP9320视频处理器是ST公司新的视频处理芯片，此芯片具有以下功能：

支持显示最大分辨率为2560x1600/60Hz

外部支持两路DP1.2（DisplayPort）视频输入

外部支持两路DVI视频输入，最大视频工作输率165MHz

外部支持24位TTL视频信号输入

输出视频信号最多4路LVDS

目前4K显示器分辩率一般为3840×2160，如图1所示本项目选用的4K显示器显示像素排列图。

图1　4K显示器显示像素配列图

4K显示器分辨率一般为3840×2160像素，显示器设计和生产厂家为了降低显示器工作视频时钟、功耗，以及显示器芯片设计难度，对4K显示器驱动采用如图1所示视频4路并行驱动方式，将显示器分为4个相同视频区间并行显示，每个显示区间为960×2160像素，通过上述并行视频处理方式，降低了4K显示器对视频驱动芯片的要求，符合目前视频芯片处理和发展水平。

根据STDP视频芯片功能和4K显示器显示像素排列图，如图2所示为DP与DVI接口在4K显示器上叠加显示的电路功能图。

图2　DP与DVI接口在4K显示器上叠加显示的电路功能图

设计中考虑到，单片STDP9320最大驱动显示屏分辩率为2560×1600，显示屏的分辩率为3840×2160，因此需要两块视频处理芯片STDP9320才可驱动4K显示屏。项目设计要求输入DVI视频信号最小分辩率1024×768，DVI信号需在显示屏上、下、左、右四个角部叠加显示，结合4K显示屏4个分区像素划分，DVI信号单一叠加显示区间将会跨越显示屏的两个区域，设计中将4K显示器分成左右两个相同显示部分，每个显示部分为1920×2160像素，每个视频处理芯片驱动一个显示部分（分辩率1920×2160），如图2中所示的电路功能图所示，输入DVI视频信通过DVI均衡器电路后，分别进入两个视频处理芯片STDP9320后叠加显示，如此设计可支持最大1080P的DVI视频信号叠加显示。采用此视频分区驱动方法，可以简化软件设计，同时减少对视频芯片、高速电路设计的硬件要求。DVI均衡器电路能够支持DVI长线传输，存储器电路提供视频芯片数据暂存，完成视频信号处理。

2　关键硬件电路设计

2.1DVI均衡器电路设计

DVI视频信号输入到电路中叠加显示，如果视频电路对输入视频信号的适应性不好，显示器就会出现DVI视频画面不稳定、画面有杂点和水波纹等问题，严重的出现画面无显示，影响正常使用。因此视频电路对DVI视频信号的适应性设计尤为重要。

就数字信号DVI来说，DVI信号最初用来在短距离上传输视频和数据，其中电缆损耗的影响可以忽略。但是在工业级或特定领域应用时，很多应用要求采用更长的电缆，五米到十米甚至更长，由于显示分辨率、刷新速率和颜色深度的持续增加，所需的数据速率也随之增加。因此DVI长距离传输就会造成信号的劣化，出现衰减、抖动、偏移和串扰等信号问题，限制从源端到显示端之间的连接距离，出现屏幕闪光、噪声闪烁和音频失真。

实际使用过程中，非常规DVI标准接口（如使用航插等）的长距离传输，会造成高分辨率（比如1600x1200）DVI信号的闪烁、噪点等故障，通过软、硬件均衡处理可支持高分辨率DVI信号长距离传输。硬件上采用DVI均衡芯片DS16EV5110对DVI信号做均衡处理，软件上配置TMDS均衡相关寄存器，编写硬件自动均衡代码，反复校验与修正，可使DVI信号在输入时能够保持稳定且不丢失数据。图3左图为加均衡器之前眼图很混乱，而图3右图为加均衡器之后眼图很清晰，DVI信号得到补偿和修正。

图3　加均衡器前后眼图的对比

DS16EV5110在设计中作为高通滤波器电缆均衡器，可有效地重新打开差分信号的眼图，DVI信号增益曲线与电缆的衰减曲线成反比，其它特性还包括使用SMBus接口（类似于I2C总线接口）或者3引脚外置接口（BST1/2/3）可编程八种级别的均衡增益。

信号的总体抖动（Tj）是由确定性抖动（Dj）和随即抖动（Rj）组成，使用DS16EV5110的增益曲线来匹配电缆在工作频率上地发送损耗地负效应，以此抵消确定性损耗（Dj），因为随机损耗（Rj）也非常重要，在设计DS16EV5110电路时必须使其具有合适的增益、带宽等综合性能，一般用3ps rms来提供优化整体性能。

DS16EV5110硬件原理图如图4所示：

图4　DS16EV5110硬件原理图

因为电缆衰减随频率增高而增加，应将均衡器的增益设定在可支持的最高分辨率上。表1列出了一些通用分辨率和与均衡增益相关的频率，该频率为数据速率的一半，由最差模式下1010数据模式产生。

表1　与TMDS数据速率和均衡频率相关的常用分辨率

使用SMBus接口或使用提供的三种外置引脚来配置增益设定，EQ增益控制表如表2所示：表1为对应三种关键分辨率的均衡器增益，可以看出DS16EV5110的增益曲线斜率根据分辨率而变化，来自动提供较低的增益。在DVI视频通路上加上DS16EV5110可以均衡确定性抖动和衰减，并不会对来自噪声输入的扰动和随机尖峰作补偿。

表2　EQ增益控制表

2.2STDP9320视频处理器电路设计

如上文所述，驱动4K分辩率显示器需要两块STDP9320视频处理器并联配合，无论输入的DVI视频信号，还是DP视频信号经过前级处理后，分别接入到两块STDP9320视频处理器中，通过STDP9320视频处理内部驱动程序，完成DVI和DP视频信号叠加显示。

STDP9320视频处理器对外输出视频LVDS接口共有4路，为简化设计难度，减少后续视频处理器驱动软件编写难度，一块STDP9320视频处理器输出LVDS端1/2驱动4K显示屏左半部分，另一块STDP9320视频处理器输出LVDS端口3/4驱动4K显示屏右半部分，如图5所示视频处理器输出LVDS端口驱动4K显示屏示意图。

图5　视频处理器输出LVDS端口驱动4K显示屏示意图

通过图5所示，视频处理器输出LVDS端口驱动4K显示屏示意图，DVI在左半和右半部分显示分别由一块视频处理器STDP9320完成，DVI输入视频分辨率能够到达1080P，避免了DVI视频信号跨区间显示难度。

两块STDP9320视频处理器在电路中，分成主从配置结构，采用I2C总线交换数据完成主从设备通讯，协调DVI视频信号叠加显示位置、视频处理器输出LVDS端口开关设置等。

视频处理器具有较高频数字电路，因此设计中需要注意PCB板的高频设计，恰当的布局布线和安装来实现PCB的高频阻抗匹配设计。采用紧密交织的电源和地栅格；电源线紧靠地线，在垂直和水平线和填充区之间，尽可能多地连接；I/O电路尽可能靠近对应的连接器；对易受ESD影响的电路，放在靠近电路中心的区域，这样高频电路可以提供一定的高频阻抗匹配。PCB设计中需保证信号线尽可能短。信号线的长度过长（比如大于300mm）时，平行布一条地线；确保信号线和相应回路之间的环路面积尽可能小。对于长信号线每隔几厘米调换信号线和地线的位置来减小环路面积。确保电源和地之间的环路面积尽可能小，提高高频电路阻抗匹配。

3　处理器驱动软件设计

在视频处理器软件设计中，主要需要完成4K显示屏输出LVDS驱动、输入视频信号选择、多路视频信号叠加显示等功能，相应的软件需按照STDP9320内部寄存器设置流程和数据项进行编程驱动即可。主视频处理器STDP9320还根据使用环境配置DVI均衡器电路，配置核心代码和函数构架如下：

变 量ucPanelSelect读 取 分 辨 率， 然 后 加 载tDVI_EDID_ DATA_1280x1024［ ］数组里128个字节EDID数据，通过DDC通道将其传输到视频处理器芯片RAM里，完成外部输入DVI视频信号读取和DDC数据获取工作。

4　结论

上述DP与DVI接口在4K显示器上叠加显示电路以STDP9320为主，通过两块STDP9320电路芯片主从配合和合理分配输出LVDS端口实现叠加显示，电路设计和架构较简洁。图6左半部分为本单位设计和实现的DP与DVI接口叠加显示电路板，图6右半部分为电路测试效果图，从电路系统测试效果图看，本电路在视频叠加显示、高清显示等方面具有一定的使用价值。

图6　视频叠加显示电路板（左）和测试效果图（右）

［1］ST半导体有限公司.STDP9320 3D功能高清多媒体监视器视频控制器数据手册［Z］.ST半导体有限公司，2012.

［2］TI半导体有限公司.DS16EV5110 DVI均衡器数据手册［Z］.TI半导体有限公司，2008.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.14.131

金永明（1972-），男，硕士，高级工程师，主要从事加固显示器相关设计工作。