汽車顯示器架構中的外部和內部接口及其整合選型

　　引言

　　現在大型面板LCD市場(LCD電視、桌面PC監視器、筆記本電腦監視器)正在朝著高度標準化和整合化邁進，而汽車信息娛樂LCD架構躑躅在傳統的概念中。主要原因在于業界通常傾向于購買完整的LCD模塊，而將精力集中在視頻適配器或接口卡設計上。現在，采用基本TFT玻璃以及加入差異化設計的顯示器的定時控制器(TCON)正在成為新潮流。除了外部LCD接口外，還可以考慮內部顯示接口，例如現在的工業標準RSDS( 抑制擺幅差分信號)總線技術。內部和外部接口的整合的益處真是舉不枚舉：所用元件更少、節約PCB空間并降低EMC輻射和磁化效益。此類收益也適用于圖像主控應用，該應用一般發生在一個汽車音響本體ECU(電子控制單元)內。現在的圖像處理單元(GPU)正逐漸棄用寬CMOS/TTL輸出，因為它會消耗大量的封裝引腳。目前，越來越多的圖像源元件可提供根據串聯數據通道而成的第一級串聯化，以供帶有并聯時鐘通道的色彩位應用。參照開放的工業標準“FPD-Link”物理層的規定，預計未來還會進一步提高連接選擇的靈活性。這樣，第一級的串聯化可通過采用橋接芯片來獲得升華，從而在單一對的互連上提供第二級串聯化，以便產生出纖薄和可連到很遠的電纜連接方案，這對汽車外殼布線——特別是要連接到后座娛樂顯示器的應用—尤其重要。

　　傳統的圖像與遠程LCD面板連接

　　在傳統的汽車信息娛樂系統設計中，圖像控制器或圖像處理單元(GPU)會傳送有圖素時鐘和同步信號對齊的并聯RGB顏色位。如圖1中所示。在遠程的LCD顯示器連接中，有時會因纜線太厚，或電源和EMC(電磁兼容性)等的問題而導致并聯總線不能跨越超過20-30厘米的長度。針對這個問題，美國國家半導體在90年代的中期與當時領導業界的TFT面板供應商一起研發了嶄新的串聯/解串(SerDes)FPD-Link(平面顯示器--鏈接)芯片組系列。該傳送器接受高至18位的RGB信息(6位色彩深度模式)以及三個控制信號和時鐘，然后將它們轉換成三個差分數據對和一個時鐘對。在面板上設置了補足功能。FPD-Link接收器將數據流反串聯化，并且把圖素數據和控制信號提供給面板上的TCON(定時控制器)，接著它會將信號重新格式化并路由到LCD玻璃的行和列驅動器。FPD-Link物理層的位映射和信號格式已成為SPWG(標準面板工作小組)訂立的標準并成為筆記本電腦LCD監視器的工業標準連接方案。該芯片組采納LVDS(低壓差分信號)物理層的標準：ANSI/TIA/EIA-644A。LVDS是一個高速兼低功耗的接口，它不單被應用到時下的嵌入式顯示器，而且還可應用在要求高速數據傳輸的各式各樣數據通信和電傳通信上。它的優點包括可提供速度很高的線傳輸率、功耗較少，以及所產生的噪聲較低和非常耐用。此外，它在排除共模噪聲方面的能力，比起真正的差分信號強一倍。如此一來，高分辨率的面板可經由較小的接口支援，從而簡化了互連上的設計，同時仍可支援各級的面板分辨率。FPD-Link的概念還可引伸到更全面的“OpenLDI” (LVDS顯示器接口)規格。OpenLDI詳細描述出顯示器源和傳送數字顯示器數據的顯示器件之間的接口邏輯、電氣和機械特性。對于超過10米的長程線接應用，可以采納LVDS SerDes的強化版本。包含在傳送器內的強化部份是可自選預加重和一個簡單的低功耗直流平衡方案，以在冗長纜線的未端打開眼圖。另外，接收器還提供纜線反偏斜功能，可允許使用標準的雙紋線。在其”LVDS非直流平衡”模式中，OpenLDI物理層能夠逆向兼容，而且與FPD-Link物理層一模一樣。

　　四線道和單線道串聯/反串聯轉換器之間的LVDS橋接概念

　　現在有越來越多的圖像處理器、定標器和甚至是中低檔的FPGA都整合有FPD-Link物理層。整合主要優勢在于可以在多條受限中速數據通道上分發大數據流，并可減低在復雜數字芯片內采用高頻鎖相環路(PLL)和時鐘數據恢復(CDR)電路的設計風險。另一方面，在汽車外殼的布線上，四線道(八條纜線)差分互連所產生出來的纜線仍相對較厚和靈活性也較低。長度超過5米的纜線可能會因纜線的構造和規格而在數據和時鐘通道間產生潛在的偏斜問題。在汽車的安裝過程中，由于制造商傾向采用交流耦合連接以便為傳送和接收端上的位移接地電位提供隔離，因此更合乎邏輯的方案是包含有嵌入式時鐘方案的單線道轉換方案。對于設有FPD-Link接口的圖像源來說，美國國家半導體出品的DS99R421可以把四條非直流平衡式的LVDS 線道(三條 LVDS數據加一條LVDS時鐘)連同三個過取樣的低速控制位  (OS<2:0>)轉換成單一條具有嵌入式時鐘信息的LVDS直流平衡式串聯數據流，如圖2所示。這種串聯化方案由于消除了在數據和時鐘路徑間的偏斜，故此簡化了在單一個差分對上轉換24位總線的工作。通過將互連縮窄，有助削減PCB的層數、纜線寬度，以及連接器的尺寸和引腳，從而節省系統成本。

　　此外，該器件還可在LVDS輸入處整合一個100Ω的端接電阻器。除上述外，該器件還在LVDS輸出上特設一個預加重信號條件功能，以便在使用有損耗纜線作較長程的連接時增強信號。用戶可通過一個外部電阻器來控制該功能，并以最高每秒1032Mbit的數據吞吐量驅動長至10米的屏蔽雙姣線。內部直流平衡編碼可通過串聯的電容器來支持交流耦合互連。DS99R421串聯數據流的位映射可與DS90UR124單線道LVDS反串聯器元件兼容，它當中包含有一個 “@ Speed BIST” (內置自測試)功能來驗證鏈接的完整性。

　　RSDS優化內部面板TFT-LCD架構

汽車顯示器系統供應商越來越專注于開發定時控制器的功能，以突顯其產品的獨特性。因此即使是處于TCON和行/列驅動器之間的內部顯示總線也備受關注。美國國家半導體特別聯同前列的LCD模塊供應商一起開發出開放式的抑制擺幅差分信號標準。其目的是為LCD定時控制器和列驅動器元件間的接口訂立一個共用的標準。這個接口在支援高數據吞吐量的同時，可減少互連的數量和功耗，以及能夠減低電磁幅射來簡化屏蔽的工作。

　　RSDS其實是工業LVDS信號標準(RS-644A)的一個衍生標準，其輸出驅動電流被進一步削減至只有2mA。在一個典型100Ω端接電阻器內的差分信號波幅雖只有±200mV，但這已足夠有余供短至中距離的系統內部連接使用。在信號轉換期間因相對較小信號所造成的邊沿速率擺幅可以被設計成中度斜坡，這樣便可締造出比采納TTL信號更高的圖素時鐘頻率。RSDS輸出緩沖器提供1.3V的偏置電壓作為共模電壓以供差分信號使用。RSDS總線只需要傳播RGB色彩位和一個并聯時鐘信號(“RSCK”)。RSDS采用一個2:1的多工方案，即在每一條數據通道上有個色彩位，而每一個位均同時會在時鐘通道的上升和下降邊期間被多工化(“雙倍數據速率”)。接收列驅動器元件因此可無需一個整合高頻PLL電路而能運作，這有助其整合入玻璃基板的上或內。與TTL總線概念比較，通過這串聯化可以減少一半的總線線路。例如在一個具有6位色彩深度的TTL雙總線(“雙及單圖素”)架構中，那里有36條數據線和兩條時鐘線(總共38條線)，而在一個等效的RSDS架構中，該處只需有一條總線，其中包含有9個數據差分對和一個差分時鐘線對(總共20條線)。

　　具備整合式LVDS和RSDS接口的定時控制器

　　定時控制器是TFT LCD模塊的大腦與核心元件。對于汽車遠端顯示器而言，輸入信號在很多情況下都是由圖像主控端的串聯LVDS數據流提供的(例如汽車音響本體ECU)。LVDS接口在反串聯器功能中發揮作用：它將RGB色彩位和控制信號(Hsync， Vsync and DE)映射回一個并聯的數據格式。接著，TCON將那些數據朝向LCE面板的行和列驅動器進行布線和重新格式化。例如圖3所示的FPD87532就是一個高集成度定時控制器的例子。圖中的TCON將一個LVDS單圖素輸入接口與RSDS輸出列驅動器接口結合在一起，并放置在平面顯示器旁以便提供數據緩沖和控制信號的生成。具備LVDS的FPD-Link接收器設有四條數據通道和一條時鐘通道以提供24位的色彩。此外，SSC(擴頻時鐘)功能可透過把軸射性峰值能量分布在一較寬闊的頻帶上來將電磁干擾減低。這功能采用一個外部的SSC信號源，它負責提供同步化的擴頻給RSDS和控制信號輸出。兩線的串聯EEPROM接口控制了LUT(搜尋列表)暫存器的初始化。假如沒有EEPROM，LUT的數據便由內部的ROM所提供。至于CLK及數據同步器功能可將數據延遲及對齊以配合包括有RSDS偏斜控制的內部數據處理。所有的數據處理都需要經RSDS輸出和LCD定時控制信號來對齊，其RTC(響應時間補償)功能將可改善LCD面板的內部灰度級響應時間，從而獲得較佳的活動影像顯示效果。RTC的功能是通過應用升壓或過驅動電壓來達成，這可強迫液晶物料的反應速度加快。這對于在低溫下操作的汽車顯示器來說尤其重要，因為液晶物料在低溫時的反應速度一般都較慢。

　　升壓脈沖經由一個內部或外部的EEPROM LUT(當中包含有升壓/過驅動級)再加上可作為畫面緩沖器的外部記憶體來控制。RTC的參考數值是新的灰度數值，其數值視乎同一個圖素的現行幀RGB灰度數據和先前幀RGB數據之間的分別而定。RSDS接口將CMOS級的信號轉換成供系統時鐘(DCLK)和RGB色彩數據用的RSDS信號。RSDS偏斜可經由幾個步驟來控制，以在相應的列驅動器容納不同的延遲。 垂直及水平LCD定時控制方塊會產生出TTL/CMOS級的信號，以用來在LCD系統中連接列和行驅動器。所有信號均與RSDS數據時鐘同步化。為了展示TCON方案的整合優點，圖4分別列出不同世代定時控制板的基準。從比較中可看出，外部元件的數量和PCB的尺寸都顯著地下降。例如：一個190個無源元件的10寸寬屏幕VGA LCD，在TCON和列驅動器間需要一個TTL總線。然而，通過采用RSDS總線后，元件的數量大幅削減至只有101個，幅降達47%。此外，PCB的層數亦由原先用TTL時的六層減至用RSDS時的四層，也進一步減輕了成本。最后，由于無需再在定時控制器外部使用寬闊的并聯TTL/CMOS總線， EMC受益良多。

　　結語

　　現代的汽車信息娛樂顯示器架構正在逐漸傾向用整合式的串聯方案來取代舊有的并聯TTL/CMOS RGB總線，以締造出最完美的系統概念。此方案的優點是可削減引腳數量、互連數目、功耗、幅射性放射和對外間噪聲的感染。LVDS和RSDS物理層標準已獲驗證，而相關的技術已趨成熟，不單簡化了設計的工作而且大大降低了設計風險。未來，LCD玻璃基板上和內部的集成度將會不斷提高。具備基本功能的定時控制器將會以COG(玻璃上芯片)的形式面市。在這情況下，RSDS總線可以作為輸入總線的另一選擇。因為RSDS接收器并不要求難整合在玻璃上的高頻PLL結構來選通輸入數據。憑借在來自圖像控制主控一方經中間接口適配器或TCON板、列板基至是TFT玻璃上或內的芯片元件而來的完整數據路徑上進行系統分割的優勢，可提升整體系統的效能表現和EMC特性，兼可降低系統。