LCD显示屏接口视频接口设备对外接口VGA、DVI、HDMIHDMI接口接口定义发展历史HDMI特点HDMI接口类型其他接口DP接口USB雷电接口FPD-Link/GMSL设备对内接口串口、并口小屏I2C、SPI、UART中屏MCU、RGBRGB接口MCU LCD屏和RGB LCD屏的区别大屏MIPI、LVDSLVDS接口接口定义LVDS基本电路结构LVDS电平分析LVDS电平特点接口类型分辨率阻抗匹配问题电路和PCB设计LVDS端口保护TTL和CMOS不适用于高速电路设计的原因都是数字电路信号高速电平的优势MIPI接口MIPI特点分辨率MIPI-DSI模式工作方式LVDS和MIPI主要区别转接芯片视频接口接口年代速率信号类型今天地位VGA1987350MHz模拟RGBHV同步古董级工控还在用DVI19993.7GbpsTMDS数字淘汰中HDMI200218Gbps (2.0)TMDS音频以太网客厅霸主DP/eDP200680Gbps (2.0)包化数字DSCPC/笔记本王者MIPI DSI20052.5Gbps/lane差分对低功耗手机/平板专用USB-C Alt201440Gbps (TB4)DP/HDMI复用未来统一接口场景推荐接口理由电视/盒子HDMI 2.1生态成熟8K支持笔记本内置屏eDP 1.4/1.5PSR省电排线细手机/平板MIPI DSI超低功耗集成度高台式机显卡DP 1.4/2.0高刷、VRR、DSC扩展坞/一线通USB-C DP Alt供电数据视频车载显示FPD-Link/GMSL长距离PoC供电工业设备LVDS/eDP稳定可靠宽温外置显卡Thunderbolt440GbpsPCIe直通设备对外接口VGA、DVI、HDMI对于大型智能硬件设备如广告机、K歌房一般都采用市场上现有的液晶电视作为显示器。因此接口也是电视常用接口VGA、DVI、HDMI等。主控端采用多核ARM或x86系统类似于电脑外接电视的做法。这些接口和协议都是很标准的CPU自带接口的话可以直接用没有的话也可以很方便的使用转换芯片来实现这些接口的输出。一般智能硬件产品只设计HDMI视频输出很少有VGA接口几乎没有DVI接口HDMI接口接口定义High-Definition Multimedia Interface数字接口同时传输视频和音频传输非压缩视频数据和压缩/非压缩的数字音频数据发展历史2002年4月日立、松下、飞利浦、Silicon Image、sony、汤姆逊、东芝共7家公司成立了HDMI组织开始制定新的专用于数字视频/音频传输标准。2002年12月发布HDMI 1.02005年8月发布HDMI 1.22006年6月发布HDMI 1.32009年11月发布HDMI 1.42013年9月发布HDMI 2.0HDMI特点TMDSTransition Minimized Differential Signal8bit~10bit直流平衡编码每个时钟周期传输10bit数据EDID and DDC实现设备间只能连接Transfer Video and Audio更低成本、连接更方便HDCPHigh-Bandwidth Digital Content ProtectionHDMI接口类型其他接口DP接口USB雷电接口FPD-Link/GMSL设备对内接口串口、并口对于设备本身需要屏幕的一般不会使用外部接口而是使用板上数据接口。小屏I2C、SPI、UART2寸以下的小尺寸LCD屏或者段式液晶显示屏显示数据量比较少普遍采用低速串口如I2C、SPI、UART。如果屏幕分辨率超过320x240使用SPI的话刷屏速度就会比较慢所以高分辨率屏幕没有采用低速串口的。至于I2C和UART速度比SPI更慢所以一般只用来驱动段式显示屏或者1寸以下的OLED屏。屏幕上使用的I2C、SPI和UART和其他外设使用的都是完全一样的传输协议。中屏MCU、RGB2寸至7寸的低分辨率LCD屏不超过1027x768有一些采用并口传输数据的。根据数据格式可以分为MCU接口和RGB接口。并口支持的显示数据量不大也不小。能够覆盖720P以下的分辨率但无法更高。想显示更多数据只能用高速串口。RGB接口RGB颜色是工业界的一种颜色标准是通过对红®、绿(G)、蓝(B)三个颜色通道的变化以及它们相互之间 的叠加来得到各式各样的颜色的RGB即是代表红、绿、蓝三个通道的颜色这个标准几乎包括了人类视力所 能感知的所有颜色是目前运用最广的颜色系统之一。接口类型Parallel RGBSerial RGB接口特点接口一般为3.3V电平需要同步信号需时刻刷新图像数据需配置适当的timingParallel RGB InterfaceSerial RGB Interface最大分辨率和时钟频率Parallel RGB分辨率1920 * 1080时钟频率1920108060*1.2 149MHZSerial RGB分辨率800 * 480时钟频率8003480601.2 83MHZMCU LCD屏和RGB LCD屏的区别MCU-LCD屏它与RGB-LCD屏主要区别在于显存的位置RGB-LCD的显存是由系统内存充当的因此其大小只受限于系统内存的大小这样RGB-LCD可以做出较大尺寸象现在4.3只能算入门级而MID中7,10的屏都开始大量使用。而MCU-LCD的设计之初只要考虑单片机的内存较小因此都是把显存内置在LCD模块内部然后软件通过专门显示命令来更新显存因此MCU屏往往不能做得很大同时显示更新速度也比RGB-LCD慢。在量示数据传输模式也有差别。RGB屏只需显存组织好数据。启动显示后。LCD-DMA会自动把显存通过RGB接口送到LCM。而MCU屏则需要发送画点的命令来修改MCU内部RAM即不能直接MCU屏RAM。所以RGB显示速度明显比MCU快而且播放视频方面MCU-LCD也比较慢。大屏MIPI、LVDS高分辨率屏从720P到2K几乎都是高速串口的接口。主要是MIPI-DSI和LVDS接口。手机上清一色都是MIPI接口的屏车载和数码产品上有大量的LVDS接口的屏。两者都通过低电压高速串口来传输图像数据类似于USB这样的串口虽然是串口但是胜在频率高传输速度比并口还要快很多。此类板上高速串口线对于Layout走线要求比较高需要严格布置成差分线路并做好线路阻抗控制。且设计传输距离一般不超过20cm。LVDS接口接口定义LVDS即Low Voltage Differential Signaling是美国国家半导体National Semiconductor, NS于1994年为克服以 TTL电平方式传输宽带高码率数据时功耗大、EMI电磁干扰大等缺点提出的一种信号传输模式的电平标准它采用极低的电压摆幅高速差动传输数据采用CMOS 工艺的低电压差分信号器件实现点对点或则点对多M-LVDS的连接具有低功耗、低误码率、低串扰和低辐射等优点已经被广泛应用于串行高速数据通讯场合当如高速背板、电缆和板到板数据传输与时钟分配以及PCB内的通信链路。LVDS 器件的传输机制是把 TTL 逻辑电平转换成低电压差分信号以便于高速传输。与传统的 ECL逻辑相比它采用 CMOS 工艺其电压摆幅更低LVDS只有约350mVECL 为800mV动态功耗更小输出电流 3 - 5mA只有 ECL 电路的 1/7低 EMI价格更低因而在中等频率几百M~几GHz差分信号应用上具有较大的优势。由于采用低压和低电流驱动方式因此实现了低噪声和低功耗。LVDS技术规范有两个标准即TIA电讯工业联盟/EIA电子工业联盟的ANSI/TIA/EIA-644标准LVDS也称为RS-644接口与IEEE 1596.3标准。下图是 TIA/EIA-644 LVDS标准‌LVDS接口是一种单工方式‌必要时也可使用半双工、多点配置方式但一般在噪声较小、距离较短的情况下才适用LVDS基本电路结构如下图所示为典型的基本LVDS电路采用一对差分信号线传输数据通过驱动3.5mA的稳定电流源以350mV低振幅100Ω终端匹配的差动信号来高速传送数据。其数据传输速度在规格内限定最大为655Mbit/秒但这并不是极限值。通过各半导体厂商改进可以实现3Gbit/秒左右的高速传输速度LVDS的输出端驱动是一个3.5mA的电流源并由两组MOS管4个组成一对发送输出当A导通B-断开时电流从右上角Q2A MOS管驱动出到蓝色传输线即右上A MOS管电流方向是电流源Driver→右上A MOS管→蓝色传输线→100Ω终端电阻左下角Q3A MOS管驱动接至GND所以此时电流从绿色传输线通过左下角Q3流出到GND左下A MOS管电流方向是GND→左下A MOS管→绿色传输线→100Ω终端电阻整个电流通路最终电流在100Ω终端电阻侧导通并形成输出电压3.5mA *100Ω 350mV。因为传输线提供的100Ω阻抗是交流阻抗只在信号边沿有用的阻抗对于直流来说是传输线是高阻抗所以终端必须有100Ω端接电阻来提供信号固定电平状态下的回流以保证输出电压。需要再次强调的是3.5mA电流从电源源流出到蓝色传输线和绿色传输线3.5mA电流流入GND这两者同时发生的才能保证信号边沿的同步驱动电流的路径并非是电流源→Q2→蓝色传输线→100Ω终端电阻→绿色传输线→Q3→GND有点违反直觉哈。当B-导通A断开时此时3.5mA驱动电流从左上角Q1B- MOS管流出并流入绿色传输线同时蓝色传输线电流流入右下角Q4B- MOS管具体电流传输的方向如上。电流通路最终电流还是在100Ω终端电阻侧导通但是电流方向与“A导通B-断开”相反并形成反向的输出电压-3.5mA *100Ω -350mV。最终在输出端形成 350mV和-350mV信号摆幅的差分输出。功耗为 3.5mA*350mV1.2mW不随着频率升高而增大功耗。高速逻辑电平中LVDS是功耗最低的。LVDS电平分析LVDS的差分信号的两根差分信号线正电极信号A和负电极信号B−共模偏置电压为1.2V典型值1.25V差模电压摆幅是350mV。如果我们用示波器来测试信号波形并对两个信号电压值取差A−B−那么我们可以得到差分摆幅为-350mV和350mV。具体波形如下图所示。上述波形是理想的情况如下所示为器件资料Intel® Stratix® 10 Device中关于LVDS相关参数的描述其输出共模电压VOCM和差模电压VOD的具体规格如下蓝色框内所示如果要正确接收其它器件发送过来的信号必须满足红色框内关于输入共模电压VICM(DC)和差模电压VID的参数要求共模电平为典型值1.25V时单端电压为1.075V和1.425VLVDS电平特点LVDS 的特点是电流驱动模式低电压摆幅350mV可以提供更高的信号传输速率一般655Mbps使用差分传输的方式可以减小信号和噪声的EMI辐射1、输出电平切换不需要设计类似TTL/CMOS的“死区时间”可以支持更高速率由于是电流驱动所以不需要防备电压源直接接地的风险。2、低输出电压摆幅350mV可以支持更高速率1Gbps以上具体支持速率对比如左下图。功耗消耗更低如右下图所示内部散热更小有助于提供芯片集成度。3、低EMI电磁辐射低的信号边缘变化率dV/dt 0.350V/0.5ns 0.7V/ns如下图所示虽然速率高ps级别但是由于摆渡小所以边沿变化率要求不高。耦合差分信号线的电磁干扰相互抵销对外辐射小耦合差分信号线抗电磁干扰性强允许输入的共模电压范围大支持1V的共模偏置电压差如上图所示传输线匹配简单。接口类型6位LVDS输出接口这种接口电路中采用单路方式传输每个基色信号采用6位数据共18位RGB数据因此也称18位或18bit LVDS接口。双路6位LVDS输出接口这种接口电路中采用双路方式传输每个基色信号采用6位数据其中奇路数据为18位偶路数据为18位共36位RGB数据因此也称36位或36bit LVDS接口。单路8位LVDS输出接口这种接口电路中采用单路方式传输每个基色信号采用8位数据共24位RGB数据因此也称24位或24bit LVDS接口。双路8位LVDS输出接口这种接口电路中采用双路方式传输每个基色信号采用8位数据其中奇路数据为24位偶路数据为24位共48位RGB数据因此也称48位或48bit LVDS接口。分辨率单路1280 x 800601366 x 76860双路1920*108060阻抗匹配问题无论是使用电缆还是PCB走线LVDS的高速信号传输都必须考虑阻抗匹配问题阻抗不连续或终端不匹配会影响传输信号所以需要控制传输线阻抗并保证合适的端接1、对于点到点的链路LVDS如下图所示只需要使用100Ω端接在距离驱动器最远处如果输出端和输入端共模偏置电压不匹配或考虑上电时序的漏电影响则需串接100nF电容器进行AC耦合AC耦合电容器对信号传输影响不大相当于短路可以动手算一算100nF电容器在100MHz频率时的阻抗是多少。2、对于多分支总线M-LVDS如果驱动器在总线的一端则可采用相同的端接方法即在距离驱动器最远端端接100Ω电阻如下图所示否则需要端接总线的两端。M-LVDS可以实现点对多而且长距离的传输如下左图所示与RS-485总线的应用有明显重叠两者参数对比如下右图所示本章不对M-LVDS和RS-485展开分析。3、如下图所示还有一种多点拓扑是“半双工”拓扑它由两个驱动/接收对组成在单个互连上传输和接收两个点之间的信号。电路和PCB设计在电路应用中设计者应该关注以下几个方面LVDS接受方对信号的共模电平要求很低。电压在0 - 2.4V均可以LVPECL不具备这种特性。所以LVDS适合板间长距离信号的传输。因为差分摆幅最大值为454mV。因此运行输入端信号携带的直流偏执电压范围为0.227V~2.173V。如果不满足上述要求。应采取AC交流耦合。LVDS接收端对输入差分对信号摆幅的要求是100mV。差分对的压差必须要有100mV才能正常工作LVDS信号在终端必须在差分对上串接一个100欧电阻。作用是①用于实现电流向电压转化。②实现阻抗匹配。LVDS信号的变化速率较低。爬升时间为0.5ns。所以信号沿变化速率是0.7V/ns变化速率越低。EMI就越小。所以LVDS电平有助于减小EMI。一个芯片可能有两对甚至更多LVDS差分线空闲的输入引脚应浮空。防止产生噪声。空闲的输出引脚应浮空。以减小功耗。LVDS不适用于数据速率为2Gbps以上的应用。如果速率需要超过Gbps以上应考虑LVPECL电平。注意1、空闲的LVDS引脚就应该直接浮空不能做上下拉处理。主控板FPGA上的空闲的LVDS引脚做上下拉处理时。PCB位置应该尽量靠近主芯片。避免因为走线距离太远。信号线与旁边的信号线产生串扰。串扰的电压大于100mV。就会使得电平状态发生变化。解决方式①改版时删除上下拉。②关闭FPGA内部的空闲端口。2、 在高速设计中高速差分对经常作为板间互连接的接口信号。设计者应该关注 TTL、COMS等单端信号对这些差分信号的共模噪声影响。虽然差分信号的接收端对共模噪声的抑制能力很强一般不至于出现判断错误但在差分信号线的上的共模噪声却可以产生对外辐射成为一种EMI源。对此有两种解决方法①在PCB上增大单端信号和差分信号的间距。②降低单端信号的驱动电流。例如选择低驱动能力的逻辑器件或者FPGA设计中将输出端口设置为弱电流驱动模式。对于LVDS PCB的设计来说不论LVDS信号对数量是多少都建议使用多层板最少四层设置 LVDS、GROUND、POWER、TTL。对 LVDS 信号和其它信号举个栗子TTL 信号避免受到干扰最好能使用不同的走线层如果因为设计限制必须使用同一层走线LVDS 和 TTL 的距离应该足够远至少应该大于 3~5 倍差分线间距保证收发器到接插件的距离足够短防止由于 Stub 线过长引起信号的崎变一般要求距离小于 10mm对收发器的电源使用滤波电容滤波电容的位置应该尽量靠近电源和地管脚滤波电容其的容值参照器件手册如果没有推荐滤波电容器值那么可以按照1个uF级电容如10uF每个管脚1个100nF电容的经验值进行设计。对电源和地管脚与参考平面的连接应该使用短和粗的连线连接同时使用多点连接主要为了减小寄生电感。对走线的阻抗要求进行控制一般差分阻抗控制在100 欧姆匹配电阻的阻值可以进行调整根据差分线阻抗和输出差模电压范围来决定。对走线方式的选择没有限制微带线和带状线均可但是必须注意有良好的参考平面。对不同差分线之间的间距要求间隔不能太小至少应该大于 3~5 倍差分线间距对接收端的匹配电阻到接收管脚的距离要尽量的靠近一般小于 7mm最大不能超过 12mm 未使用的输入管脚可以悬空如下图所示LVDS 在电缆中的使用同在 PCB 中的使用方式并无大的差别需要注意在不同电缆中 LVDS 差分信号需要不同的排布方式如下图所示电缆本身的插损需要满足支持该频率高速信号传输例如屏蔽双绞线比较适合作为 LVDS 传输的介质CAT3 电缆可以传输 5mCAT5 电缆可以传输更远距离的 LVDS 信号。差分对等长问题 必须等长①走线长度要一致总误差4mil以内长度不一致会导致时序问题导致参考平面的回流无法完全抵消从而产生共模噪声。②在平行和等长之间先保证等长。③地平面要完整。地平面不完整会产生共模噪声严重时会产生EMI问题。差分对内两个信号的间距越小越好①间距越小附件的干扰对差分对内两信号的影响接近一致方向相反近似等于抵消。②差分对内两信号电流相反形成电流环路电流环路能产生磁场磁场又能产生电场从而构成电磁干扰。所以减小两线间距能较小电流环路从而减小电磁干扰。③差分对内两个信号的间距要保持一致。不一致会产生反射。④尽量保证差分对信号线附件的过孔是对称的。LVDS端口保护LVDS是常用的板间互连接口。当A板不在位时B板LVDS接收器的输入端失去了驱动源处于开路状态。此时接收器的输出端将保持为逻辑“1”由LVDS器件的内部逻辑保证这种状态是正确的。一旦输入端信号线在B板上从背板连接器到LVDS接收器之间的信号线上引入了噪声且达到接收端的阈值100mV这种正确的状态将被打破使接收器的输出端状态翻转为逻辑“0”。解决方法有很多种①某些LVDS接口器件内置有保护电路使用时和普通LVDS器件一样外加100Ω端接电阻即可②某些LVDS接口器件则需要外加保护电路。下图是一个外加保护电路的例子除了串接了电阻Rt外外置保护电路增加了R1和R2两个电阻形成偏执电路。LVDS接收器输入端浮空时VID会有个固定的正偏执电平。从而提高更大的噪声范围但噪声小于VID时接收端器的输出仍可保持逻辑“1”的状态。一般这个值为mV。举例子以25mV为例。求R1和R2的阻值VID25mV100*3.3V/R1R2100VOS1.25V(R250)*3.3V/R1R21001.25V是前面的规格书里面写的输出信号的共模电平1.125~1.375V取中间值。注意R1、R2、Rt都应该尽量靠近接收端位置且偏置电路要远远小于LVDS提供的3.5mA电流以免影响LVDS接收器的正常工作。3.3V/R1R2100 0.248 mA。满足要求。这种外部保护电路存在一定的局限性①可能导致LVDS信号的占空比失真。②由于增加两个电阻会占PCB位置。TTL和CMOS不适用于高速电路设计的原因都是数字电路信号电平幅度较大电平最低都达到了2.5V或者3.3V。因此信号沿变化所需要的时间很长。不适合大于200MHZ的信号。容易被干扰输出信号为单端在传输路径容易受到干扰不利于远距离传输。功耗大。功耗分为静态功耗和动态功耗。因为电平摆动大所以导致动态功耗大。部分CMOS静态功耗较小但是普遍都大。动态功耗很大。高速电平的优势LVDS、LVPECL、CML三种电平适用于高速电路。LVDS信号最常用。原因为①电平摆幅窄②支持远距离传输③功耗小。高速电路都是采用差分信号进行传输。差分技术的优势抗干扰能力强。对参考平面地平面或者电源平面完整性要求较弱。抑制串扰、EMI能力强。功耗小速率高、不受温度、电压波动的影响。LVDS、LVPECL、CML特性图如下MIPI接口建议先阅读MIPI协议MIPI联盟定义了一套接口标准把移动设备内部的接口如摄像头、显示屏、基带、射频接口等标准化从而增加设计灵活性同时降低成本、设计复杂度、功耗和EMI。MIPI特点高速1Gbps/Lane4Gbps吞吐量可更快低功耗200mV差分摆幅200mv共模电压噪声抑制更少的pinPCB layout更方便分辨率MIPI-DSI2048*153660fpsMIPI-DSI模式Command Mode对应于并行接口的MIPI-DBI-2带有Frame Buffer刷屏基于DCS的Command集的方式类似于CPU屏。Video Mode对应于并行接口的MIPI-DPI-2刷屏基于时序控制类似于RGB同步屏工作方式command工作方式使用DCS Long Write Command Packet刷新GRAM。每帧第一个packet的DCS command为write_memory_start实现每帧同步video工作方式使用sync packet实现时序同步Pixel packet实现LCD刷屏。空白区域可以为任意每帧要以LP为结束。LVDS和MIPI主要区别LVDS接口只用于传输视频数据MIPI DSI不仅能够传输视频数据还能传输控制指令LVDS接口主要是将RGB TTL信号按照SPWG/JEIDA格式转换成LVDS信号进行传输MIPI DSI接口则按照特定的握手顺序和指令规则传输屏幕控制所需的视频数据和控制数据。转接芯片CPU和显示屏之间的接口要匹配才能工作。看起来相似的接口并不能直接通用。如MCU和RGB、MIPI和LVDS。如果不匹配需要挂载转接芯片做一次协议转换之后才能使用。常用的转换芯片有RGB转MIPI、LVDS转MIPI等。转接的方式通常只在特定情况下才使用例如CPU接口受限、且LCD无法修改。此类芯片一般价格不菲十几二十块一颗很正常。如下图的案例为了在骁龙芯片上使用Google Nest的圆形LCD不得不使用转接芯片把CPU的Mipi接口的输出转化成LCD能接受的RGB接口的数据。