龍芯3A4000 主板VGA 接口電路設計及研究*

籍明慧，裴煥斗，宮健，張川川，莊杰

(1.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.山西百信信息技術有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，視頻接口技術也從早期的BNC、S-端子、VGA 等接口發(fā)展到如今的DVI、HDMI以及DP 等數(shù)字視頻接口[1]，有了長足的進步。但是在視頻數(shù)字化的潮流中，VGA 仍以成熟的技術優(yōu)勢、良好的兼容性和通用性以及相比之下較低的成本被廣泛應用，是主板、嵌入式設備及高端顯示器等設備上最主要的接口。同時VGA 接口對于那些需要模擬信號進行顯示的機器是不可替代的，在技術產(chǎn)品革新替代中有著重要的作用。在針對國產(chǎn)化CPU 龍芯3A4000 進行主板開發(fā)時，面向國產(chǎn)機器替代，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化的要求，VGA接口的設計成為其中重要的一環(huán)。陳鍇然[2]對不同視頻傳輸標準的傳輸方式與優(yōu)劣進行了分析對比，簡要介紹了各種視頻傳輸標準的應用場景；陳桂、朱麗婷、付宗寶及鄭佃好[3-6]等人基于幾種ARM 芯片控制ADV7120、ADV7125和THS8134B 等高性能視頻D/A 轉換芯片將LCD 掃描式接口轉換為了VGA 接口，具體介紹了其電路設計。筆者在開發(fā)基于龍芯3A4000(MIPS 架構)的通用主板的過程中，提出一種利用高性能視頻D/A 轉換芯片ADV7125將DVO 總線數(shù)字信號轉換為模擬信號通過VGA 接口實現(xiàn)視頻輸出的電路設計方法，該設計電路簡單可靠，且有較好的防護性和信號質(zhì)量。本文將詳細介紹設計中的結構思路、電路設計及測試結果。

1 VGA 接口

1.1 簡介及原理

VGA 是IBM 于1987 年提出的一個使用模擬信號的電腦顯示標準[7]，標準定義了VGA 信號外部接口互連的電氣特性標稱值、機械配接要求以及其信號傳輸原理(時序規(guī)范)。顧名思義，VGA 接口就是用來專門針對于VGA 標準輸出數(shù)據(jù)的接口，具有多分辯率模式、模擬信號輸出、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點，以其良好的兼容性、成熟性、可靠性被廣泛應用于視頻顯示領域。

在進行視頻顯示時，第一步系統(tǒng)內(nèi)部首先將視頻信息解碼為數(shù)字型圖像信息緩沖至顯存芯片中，然后高性能視頻D/A 芯片調(diào)用數(shù)字視頻信號經(jīng)過模擬調(diào)制成為R、G、B 三原色模擬數(shù)據(jù)信號和行(HSYNC)、場(VSYNC)同步控制信號，最后信號遵循VGA 時序通過VGA 接口傳輸?shù)斤@示設備中，其中行、場同步信號的作用是處理輸入模擬信號以及聯(lián)合起來控制VGA 的顯示時序。由VGA 顯示工業(yè)標準可知，VGA 的顯示時序在不同顯示模式和刷新頻率下，各個模式行、場時序圖輪廓基本一致，都由同步脈沖、顯示后沿、顯示時序段和顯示前沿組成，只是每一段時序的狀態(tài)持續(xù)時間不同。

1.2 VGA 接口引腳定義

VGA 接口的物理外形是一個15 針孔的插座，分為三排，每排五個針孔。其傳輸信號主要有以下幾種類型：

(1)模擬數(shù)據(jù)信號：紅、綠、藍3 基色RGB 信號；

(2)同步控制信號：行/場同步信號(H/VSYNC)；

(3)電源、地：1 個通用地，3 個對應彩色分量信號地，一個對應控制信號地，一個+5 V 電源。

其中行場同步信號(HSYNC、VSYNC)用來處理3 根RGB 彩色分量信號，同時配合起來控制VGA 的顯示時序，當工作在不同模式時，行同步信號和場同步信號的波形也各不相同。VGA 接口引腳定義見表1。

表1 VGA 接口引腳定義

1.3 VGA 接口時序要求

前文提到，VGA 的顯示時序是由行、場同步信號配合控制的。針對不同顯示模式和刷新頻率，VGA 接口的時序也有不同表現(xiàn)方式，但是其行場時序結構都是一致的，均由同步脈沖、顯示后沿、顯示時序段和顯示前沿組成，只是其不同狀態(tài)占用時間不同。圖1 為VGA 的信號時序圖。

如圖1 所示，行、場同步信號在每行/幀開始的時候均產(chǎn)生一個的低脈沖信號，且對應的同步脈沖均為負脈沖，在難以分辨不同模式下同步脈沖的周期時，會將其反相處理到達區(qū)分效果[8]。

圖1 VGA 信號時序

VGA 時序包括行、場掃描時序兩個部分，其時序參數(shù)有四個部分：行(場)同步脈沖(tWH，tWV)、顯示后沿(tHC，tHV)、有效顯示區(qū)寬度(tHSYNC，tVSYNC)、顯示前沿(tVH，tCH)。開始掃描時，第一步進行的是行同步操作，同步操作完成后開始真正的數(shù)據(jù)掃描工作[9]。TVSYNC 是完成一幀掃描所需要的時間，稱為場掃描周期，其倒數(shù)被稱為場頻，又稱刷新頻率；行掃描時序與場掃描時序的結構是一致的，此處不再細說。其中各個狀態(tài)所占用時間可通過刷新頻率即場頻得出，場掃描周期即為場頻的倒數(shù)，行掃描周期則通過場掃描周期和所掃描行數(shù)計算得知。

2 接口功能實現(xiàn)整體結構

本文基于龍芯3A4000 CPU 的開發(fā)背景下進行VGA接口設計，整體采用龍芯3A4000+7A1000 的架構，通過龍芯7A1000 橋片(后文簡稱橋片)擴展顯存以及VGA接口，利用高性能視頻D/A 轉換芯片ADV7125 將DVO 數(shù)字信號轉換為模擬信號進行視頻顯示。整體結構如圖2所示。

圖2 整體結構框圖

龍芯3A4000 是龍芯3 號系列處理器中首款基于GS464v 微架構的四核處理器，采用28 nm FD-SOI 工藝，主頻穩(wěn)定工作在1.5 GHz～2.0 GHz，其性能與龍芯3A3000相比提升達一倍左右[10]。橋片與龍芯3A4000 之間通過HT 高速總線相連，內(nèi)部集成2D/3D GPU(100～500 MHz)、顯示控制器以及顯存接口，同時集成PCIE 以及USB、I2C、SPI 等多個高低速接口。

本次設計主要依托于橋片內(nèi)部集成的顯示控制器接口，橋片顯示控制器支持雙路DVO 顯示，每路最大支持1 920×1 080@60Hz，支持RGB444、RGB555、RGB565、RGB888四種色深。橋片顯示控制器提供了數(shù)據(jù)傳輸引腳和時序控制引腳，包括行場同步信號DVO_HSYNC/VSYNC 以及24 位數(shù)字數(shù)據(jù)信號DVO_D[23：0]，其主要負責圖像數(shù)據(jù)處理、VGA 接口時序?qū)崿F(xiàn)以及配置芯片ADV7125 的工作模式，并把處理后的幀數(shù)據(jù)以點為單位送SDRAM 顯示存儲器。進行視頻顯示時，調(diào)用顯存中圖像數(shù)據(jù)經(jīng)橋片處理后傳輸至D/A 芯片ADV7125 進行模數(shù)轉換，最后模擬圖像信號遵循VGA 時序通過VGA 接口傳輸?shù)斤@示設備中。此次設計采用單片2 Gb×16 bit 的SUMSUNG公司的DDR3 SDRAM 芯片K4B2G1646Q-BCK0 作為顯示存儲器，可以滿足高速數(shù)據(jù)收發(fā)存儲的功能需求。

根據(jù)橋片設計手冊規(guī)定，VGA 接口的同步信號需要由橋片顯示控制器提供，故利用ADV7125 可以方便地將橋片的DVO 接口轉換成VGA 接口。DVO 接口的數(shù)據(jù)位DVO_D[23:0]分別對應RGB888，即：DVO_D[23:16]對應RGB 信號的R[7:0]，DVO_D[15:8]對應RGB 信號的G[7:0]，DVO_D[7:0]對應RGB 信號的B[7:0]。在本系統(tǒng)中ADV7125 工作在RGB888 模式，故在設計中分別將DVO接口數(shù)據(jù)信號DVO_D[7:0]、DVO_D[15:8]、DVO_D[23:16]分別與ADV7125 芯片的VGA_B[7:0]信號、VGA_G[7:0]信號和VGA_R[7:0]信號相連接。ADV7125 芯片的時鐘信號由橋片差分時鐘提供，DVO 接口中的同步掃描信號HSYNC 和VSYNC 以及I2C 總線控制信號直接接到VGA接口。同時為了支持顯示器熱插拔功能，使用SPI_CSn2(復用為GPIO 功能)作為DVO 通道的顯示器熱插拔檢測引腳。信號走向如圖3 所示。

圖3 整體信號流向圖

3 電路設計

由于同步控制信號由橋片直接提供且VGA 時序已經(jīng)確定，故利用ADV7125 將DVO 數(shù)據(jù)信號轉換成VGA接口電路并不復雜，在設計時嚴格考慮到芯片的基本特性和信號輸入要求即可。整體電路可分為橋片到ADV7125 芯片數(shù)據(jù)傳輸轉換以及轉換后信號處理并輸出兩個部分，下面就ADV7125 芯片特性、橋片到芯片ADV7125 電路連接、VGA 接口設計以及關鍵信號的處理做詳細介紹。

3.1 ADV7125

ADV7125 是一個單芯片高速數(shù)模轉換器，吞吐量達330 MS/s，內(nèi)置著三個獨立的8 位高速分段式架構互補輸出高速DAC，分別對應三個具有8 位寄存器的輸入通道，用來接收數(shù)字信號并對視頻數(shù)據(jù)做對應處理，24 位像素數(shù)據(jù)(顏色信息)在每個時鐘周期的上升沿鎖存至器件內(nèi)，之后被提供給三個8 位DAC，然后轉換為三個模擬(RGB)輸出波形[11]。ADV7125 還有兩個附加的控制信號BLANK 和SYNC，以與像素數(shù)據(jù)相似的方式鎖存至模擬視頻輸出，分別在CLOCK 的上升沿鎖存，以便與像素數(shù)據(jù)流保持同步，共同作為ADV7125 的輸出信號。

ADV7125 采用單芯片設計，使用相同的電流源保證了單調(diào)性和低毛刺，片內(nèi)運算放大器保證了滿量程輸出電流在面對溫度和電源變動時的穩(wěn)定性[12]。采用可以進行調(diào)節(jié)的+5 V/+3.3 V 電源供電，可配置省電模式，多應用于數(shù)字視頻系統(tǒng)、高分辨率彩色圖形、圖像處理等方面。其功能框圖如圖4 所示。

圖4 ADV7125 功能框圖

3.2 橋片與ADV7125 連接電路設計

由于VGA 接口的同步信號由顯示控制器提供，故只要將DVO 接口數(shù)據(jù)的DVO_D[7:0]，DVO_D[15:8]和DVO_D[23:16] 分別與ADV7125 芯片的VGA_B[7:0]、VGA_G[7:0]和VGA_R[7:0]直接連接進行數(shù)字信號傳輸，ADV7125 芯片的時鐘信號由顯示控制器內(nèi)部時鐘源產(chǎn)生的差分時鐘提供。詳細電路設計圖如圖5 所示。

圖5 中VGA_B[7:0]、VGA_G[7:0]、VGA_R[7:0]、VGA_CLK 為橋片的輸出端。COMP 端達到補償內(nèi)部參考運放的功能，通過在COMP 引腳與P3V3_VGA 之間連接一個0.1 μF 的電容來實現(xiàn)。ADV7125 是高精度DAC 芯片，對于參考電平的要求很高，如果以電阻分壓的方式得到參考電壓的話效果并不好，根據(jù)ADV7125 設計手冊在電路設計時采用1.235 V 電壓基準芯片AD1580 來產(chǎn)生參考電壓，可以得到穩(wěn)定的參考電平。ADV7125 的REST 引腳專門用來控制視頻信號幅度，考慮到阻值要求，固定的530Ω用2個200Ω和1個130Ω的電阻來代替，便于后期調(diào)節(jié)。同時ADV7125 的SYNC 引腳用來控制單一復合同步輸入，由于橋片的圖形處理器可以生成水平同步(HSYNC)、垂直同步(VSYNC)和復合SYNC 信號，不需要ADV7125 產(chǎn)生同步信號，故將SYNC 拉到地，使其永久低電平。省電控制引腳PASVE 為低有效，此處同樣將其接地，實現(xiàn)功耗降低。另外在布局設計時使用了盡可能短的電容引線，盡可能將電容靠近器件放置，將每個VAA 引腳單獨去耦至地，最大程度地降低了引線電感。

圖5 ADV7125 與橋片連接電路

3.3 VGA 接口設計以及關鍵信號的處理

考慮橋片VGA 接口設計要求、信號保護、信號緩沖等方面因素，設計VGA 接口電路如下，分以下三方面進行介紹，并在最后給出VGA 接口原理圖。

輸出模擬視頻信號的處理：(1)在三個模擬輸出的引腳上分別搭配一個75 Ω 的端接電阻到地，以達到最佳性能，并且在PCB 布局時盡可能地靠近了轉換芯片去削弱信號反射。(2)在信號抵達接口之前，通過LC 濾波電路對模擬信號進行一級濾波優(yōu)化處理；(3)使用快速開關二極管BAV99W 進行電路保護，BAV99W 相當于兩個二極管，其開關速度快于一般二極管，其接法如圖6 所示。

圖6 BAV99W 連接方式

VGA_RED/GREEN/BLUE、LS7A_DVO_HSYNC/NSYNC 均經(jīng)過此電路處理。公共端接所需要保護的信號，另兩端一個接電源，一個接地，可以實現(xiàn)泄放超額電壓從而穩(wěn)定電壓的作用。

同步信號緩沖處理：視頻同步信號由橋片顯示控制器產(chǎn)生，由設計要求直接輸出至VGA 接口，故需要對信號LS7A_DVO_HSYNC/N 做緩沖處理。本次設計使用74AHCT1G125GV 非逆變緩沖器實現(xiàn)信號緩沖，電路連接以及輸入(A)到輸出(Y)傳播延遲如圖7、圖8 所示。

圖7 74AHCT1G125GV 連接方式

圖8 輸入(A)到輸出(Y)傳播延遲

I2C 控制信號的電平轉換：橋片的每個DVO 接口都自帶了一組I2C 信號(使用GPIO 模擬)，連接DVO 接口的轉換PHY 芯片和顯示器，專門用于顯示器檢測。根據(jù)橋片設計要求，必須使用該組I2C 信號連接顯示器接口，而不使用PHY 芯片輸出的I2C 引腳。橋片輸出I2C 信號電平為TTL 電平，而VGA 接口需要電平為5 V，故需要對SDA/SCL 信號進行電平轉換，此處設計使用常規(guī)的MOS 管實現(xiàn)電平轉換，電平轉換電路如圖9所示。

圖9 電平轉換電路

視頻信號、同步信號以及I2C 信號經(jīng)過處理后連接至VGA 接口即可實現(xiàn)視頻輸出功能。除此之外，還使用了保險絲對VGA 接口進行了保護。VGA 接口及信號如圖10 所示。

圖10 VGA 接口及信號

4 測試結果

硬件調(diào)試后，針對VGA 接口標準進行測試，分辨率設定為1024*768@60Hz，利用MSO-X 3054A 示波器對行場同步信號HSYNC、VSYNC 進行測試，結果如圖11、圖12所示。

圖11 HSYNC 波形圖

圖12 VSYNC 波形圖

由圖中分析可知：HSYNC 的周期為20.68 μs，VSYNC的周期為16.67 ms，與1 024×768@60Hz 模式下的VGA 接口時序要求一致，效果達到設計要求。同時，由模擬信號波形圖可得知其輸出電壓在0～0.7 V 之間，均符合VESA標準及增強型數(shù)據(jù)顯示通道標準。利用VGA 適配器將主板VGA 接口與顯示器接口連接，顯示器畫面可正常顯示，且無明顯抖動，顯示性能良好。

5 結論

本文在龍芯3A4000 的開發(fā)背景下進行了VGA 接口的設計，通過高性能D/A 視頻轉換芯片ADV7125 將橋片輸出DVO 數(shù)字信號轉換為模擬信號，并將模擬信號傳輸至VGA 接口，實現(xiàn)視頻顯示的功能。根據(jù)VGA 時序要求以及橋片設計要求進行電路設計，并考慮了信號質(zhì)量以及接口防護方面的要求。經(jīng)過測試，通過VGA 接口實現(xiàn)視頻輸出功能正常，性能良好，目前已成功應用于龍芯3A4000 主板，滿足功能性、可靠性要求，同時達到了產(chǎn)品級別的要求。