基于HDMI輸出的大屏幕顯示系統(tǒng)研究與設計

文/陳梅金 張賽男

（1.福建捷聯(lián)電子有限公司 福建省福清市 350300）

（2.福建師范大學福清分校電子與信息工程學院 福建省福清市 350300）

通過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當前普遍應用矩陣式分配器進行拼接顯示器的信號分配顯示，這種大屏幕拼接屏[1]的設計不得不依賴于第三方的矩陣式分配器。由于普通式大屏幕拼接屏是依靠外部設備完成拼接，所以對線材資源消耗也比較大。普通式或說傳統(tǒng)的拼接屏無形當中給產(chǎn)品增加了第三方設備的費用和線材的費用支出，而且拼接起來靈活性還有所限制。正是基于降低費用和拉高大屏幕拼接屏的靈活性應用，本設計提出嵌入式分配器掛載到顯示器主板上的應用，它既減少了其它的第三方設備，也可以靈活接線來滿足顯示器的大屏幕拼接組合顯示。

1 系統(tǒng)簡介

本設計系統(tǒng)由三個主要IC進行信號處理和邏輯控制，分別是圖像處理器IC、分配器IC和邏輯控制MCU IC。系統(tǒng)的核心結構框圖如圖1系統(tǒng)結構圖。

圖像處理器芯片采用MTK Scaler IC，分辨率支持到4K 60Hz，負責Scaling處理，對信號的輸入與輸出控制處理，同時負責與MCU IC進行交互控制。分配器IC選用ITE IC，它負責信號1路輸入和分配4路輸出處理，分辨率最大支持到4K 60Hz。MCU也是選用ITE的MCU，它主要負責控制ITE分配器IC，以及負責與Scaler間的邏輯交互控制。

根據(jù)系統(tǒng)結構，一臺PD[2]可以再串接出3臺PD，以此類推可以靈活方便地進行擴展拼接，本設計使用55英寸屏幕的PD，考慮大部用戶，最大支持10x10拼接方式。本設計豎直單臺拼接最小分辨率可以支持到1x10的384x2160，實際上單臺顯示支持到384x216。橫著單臺拼接最小分辨率可以支持到10x1的4088 x230，實際上單臺顯示支持到408x230。最大分辨率理想狀態(tài)支持到10x10的40960 x21600@60Hz，這是由于系統(tǒng)只要信號源足夠強大，就可以進行自由輸出拼接后的最大理想分辨率。針對相關Timing的輸出需要特別制作相關EDID[3]來配合PC的輸出處理。

圖1：系統(tǒng)結構圖

圖2：接口結構

圖3：交互圖

本設計主要建立信號輸入輸出處理、PQ應用處理、信號Scaling處理、EDID處理，以及命令傳輸處理。解決了信號分配技術難點、特殊EDID技術問題，和拼接Scaling技術問題。分別從硬體和軟體兩方面進行系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。

2 硬件系統(tǒng)設計

硬件系統(tǒng)主要分成電源板、主板和顯示面板三大板塊組成，本設計主要集中設計主板模塊。主板主要是對整體電路設計和PCB設計，最后產(chǎn)出主板實物。電路上核心IC為Scaler圖像處理器IC和HDMI分配器IC，以及分配器的MCU IC。在主要IC周邊同樣需要電源模塊的電源供應，以及外部信號輸入和輸出的接口，構成了本設計的主要硬件系統(tǒng)。

2.1 接口介紹

本設計接口結構圖如圖2，主板上主要分成如下4個接口設計：

（1）HDMI接口：1個HDMI In，3個HDMI Out，主要用于單臺顯示和連接拼接顯示；

（2）DVI接口：主要用于單臺顯示，以方便需要DVI信號接口的用戶；

（3）RS232接口：設計分成兩個接口，”RS232 IN”表示輸入接口，用于Command的輸入?！盧S232 OUT”表示輸出接口，用于Command轉發(fā)到下一臺PD上。本設計采用水晶頭及網(wǎng)絡進行Command傳輸。

（4）USB IN接口：USB輸入接口主要用于軟件Bin檔的更新升級，以及USB圖片和視頻的播放應用。

2.2 Scaler模塊介紹

Scaler圖像處理芯片采用MSTar的MSD9xxx芯片，是我們設計系統(tǒng)的核心IC主控制芯片，它將負責我們系統(tǒng)信號偵測和顯示器顯示的最復雜的信號處理。核心圖像處理芯片與其周邊外圍相關控制電路組成了本系統(tǒng)主要控制電路系統(tǒng)模塊。Scaler的外圍周邊電路包含晶振電路、復位電路、直流分壓電源電路、液晶面板背光控制電路、Flash控制電路、EEPROM控制電路、音頻輸出控制電路、按鍵板控制電路、HDMI信號輸入控制電路、信號輸出LVDS控制電路。

Flash是Scaler的軟件存放位置，編譯好的軟件則可通過USB接口燒錄到此Flash，也可以通過IIC線路，再由我們工程師Debug Tool更新燒錄。

2.3 HDMI分配器模塊介紹

HDMI分配器IC采用ITE的IT6xxx芯片，它由另外一顆ITE的邏輯控制MCU IC進行控制。ITE MCU同時由Scaler來交互控制。電路模塊主要分成EQ模塊控制、EDID模塊控制、HDCP模塊控制，以及Color Space模塊控制，這些硬件模塊實現(xiàn)通路設計，而后需要由軟件進行實際控制實現(xiàn)。

2.4 USB模塊

USB模塊設計時需要符合軟體燒錄和媒體播放。軟體燒錄包含Scaler軟體燒錄和ITE MCU軟體燒錄。Scaler在大系統(tǒng)中軟體更新，需要整機開機后根據(jù)OSD菜單[4]提示導航來完成，而ITE MCU它在電路中既是獨立控制ITE分配器，同時又與Scaler有交互作用，所以ITE MCU小系統(tǒng)軟體的燒錄，需要考慮其個體性和整體性。本設計對ITE MCU更新軟體的作法采用整機有上電時用系統(tǒng)電源對其供電，并通過燒錄軟件工具啟動軟體燒錄；在沒有整機系統(tǒng)上電的情況，采用PC端連接的USB線對其供電進行軟體更新燒錄。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)在硬件架構基礎上進行設計和運行，本設計主要分成交互控制設計、Scaling處理設計、Tiling控制設計和Command控制設計。交互設計是Scaler與ITE MCU進行交互控制設計，主要控制信號行為和信息顯示。當信號輸入時，如果不是點對點的信號則進行相應信號Timing放大和縮小的Scaling控制。Tiling控制設計主要是在大屏幕拼接時邊框補償設計，以及對不同信號Timing的信號分配設計。Command控制設計主要是在拼接過程中，為了方便用于靈活控制控制組合進行設計。

3.1 交互設計

軟件交互根據(jù)硬件對應的控制模塊進行控制如交互圖3。主要分成信號EQ控制、EDID控制、HDCP控制、Color Space控制[5]，以及軟件版本信息讀取。在市場上不同的用戶環(huán)境，包含信號源及顯卡、線材長短粗細等不同阻抗，會導致信號強度受到影響面而無法正常顯示的問題，所以需要添加信號平衡性的調(diào)節(jié)控制即EQ控制設計。EDID控制主要是為了滿足多種不同形式的拼接方式，我們也把它叫做花樣拼接時需要PC送出對應Timing的信號而設計的靈活性EDID。為了符合HDMI高清信號標準，需要HDCP控制，它主要是對信號進行加密解密的控制應用。Color Space控制主要是考慮到在繁雜的終端用戶中，經(jīng)常會遇到一些用戶采用非標準的信號進行輸入，這些不標準的信號又經(jīng)常都是色彩空間占多數(shù)，故而需要Color Space控制來應對特殊信號源。根據(jù)這些信號控制的設計還都會用到HPD與信號源控制。軟件信息版本讀取則只需要通過IIC指令向MCU寄存器獲取對應版本信息。

表1：FreeSync對DPCD地址位控制需求表

3.2 Scaling處理設計

Scaling處理設計，針對不是1：1畫面輸入時，顯示器對送來的信號進行放大、縮小，或16：9或4：3的信號處理輸出到Panel端顯示。如果信號源是1：1的信號輸入，即與面板原始畫面一致時，軟體則采用By Pass方式輸出顯示。

3.3 Tiling控制設計

Tiling控制設計，主要是為了處理信號在拼接后，需要如何顯示出用戶想要的效果。主要有如下幾點應用：

（1）OSD Tiling設計，需要做到讓用戶可以調(diào)整從1x1到10x10的任意組合的OSD；

（2）Tiling補償設計，即拼接縫隙的補償設計，Tiling組合過程中機臺與機臺之間總是會存在一定的間隙，為了讓畫面過度自然，需要對這機臺間的縫隙進行補償處理，在分辨率偏小時效果會更加明顯。

3.4 Command控制設計

Command控制設計，是為了方便拼接組合后可以不通過機器的OSD控制，而用命令的方式對其進行控制，這樣用戶就可以不用通過按鍵和遙控器進行顯示器控制。本設計命令控制采用RS232串行通信方式進行通信，協(xié)議采用Tiling指令格式自行定義，波特率采用9600 bit/s。命令解析控制的過程為輸入開始、列表查找、功能執(zhí)行、結束。

4 樣機調(diào)試

拼接屏顯示器設計好后，對樣機進行調(diào)試和測試。調(diào)試部分主要分成信號調(diào)試、命令控制和實際拼接組合調(diào)試，測試主要進行功能測試和兼容測試兩部分。

4.1 信號調(diào)試

信號調(diào)試，根據(jù)拼接組合可能涉及的Timing制作特殊EDID進行調(diào)試測試，所有預估Timing有列出461個，選擇3個邊緣性和中間1x1不做EDID切換的Timing列表如表1。經(jīng)過所有Timing測試，符合原計劃設計效果。

4.2 命令控制調(diào)試

命令控制調(diào)試通過PC端開發(fā)的Tool對我們樣機進行調(diào)試，整體調(diào)試過程命令控制基本流暢，能夠達到終端用戶體驗需求。并且畫面PC端的Tool界面控制符合實際拼接組合的效果，調(diào)試和測試結果通過預期設計結果。

4.3 拼接組合調(diào)試

根據(jù)不同信號的EDID和命令控制Tool，組合兼容PC測試，也就是模擬終端用戶實際拼接組合場景的應用進行調(diào)試測試，3x3拼接測試效果良好。除了部分Timing分辨率過低，導致顯卡無法正常顯示外，其它Timing調(diào)試均符合原設計預想效果。經(jīng)過所有功能測試和兼容測試后，針對分辨率過低問題不影響正常一般用戶和特殊用戶使用，所以整體樣機效果測試達到設計目的，產(chǎn)品按預期的時間進入正常量產(chǎn)。

5 總結

該顯示系統(tǒng)通過分配IC嵌入到主板中并進行分配控制，在經(jīng)過設計與實現(xiàn)以及對系統(tǒng)進行測試，整體效果達到設計要求與客戶認可。這種拼接屏的實現(xiàn)不但簡單快捷，而且經(jīng)濟實惠，同時適合應用于各種廣告、金融、大型會議等等展示性的大屏幕顯示場所，值得推廣應用。