应用于微显示芯片的MIPI DSI驱动接口设计

　　尹 远，黄嵩人（湘潭大学 物理与光电工程学院，湖南 湘潭 411105）

　　摘 要：针对传统显示接口难以满足其高速率传输、低功耗、抗干扰、兼容性高等要求的问题，提出了一种基于MIPI DSI协议，并应用于高分辨率微显示芯片的显示驱动接口的设计。

　　关键词：微显示；MIPI协议；显示驱动接口

　　0 引言

微显示芯片是一种特殊形态的显示器，其物理尺寸小、功耗较低、分辨率高，目前主要应用的产品形态有：LCOS微显示器、OLED微显示器、LCD微显示器等。也可以通过光学系统产生大屏幕系统，常用于投影系统和近眼显示系统中^[1]。其应用领域广泛，如VR眼镜、AR智慧眼镜、军用头盔、微型投影仪、车载抬头显示等电子设备。

　　随着消费级电子设备的发展，微显示芯片应用的电子产品越来越多，显示的分辨率不断增强，对显示效果的要求也日益提高，需要传输的数据量和速率也越来越大，同时还要求设备保持高性能和低功耗，传统的显示接口已满足不了诸多要求。因此，本文针对这种情况，设计了一种适用于高分辨率微显示芯片的MIPI DSI显示驱动接口^[2]。

　　1 MIPI DSI协议介绍

　　MIPI DSI是MIPI（Mobile Industry ProcessorInterface，移动业处理器接口）联盟为了对移动设备的外设接口标准进行统一，以提高系统兼容性、设计性能和效率，而提出的一种显示接口标准^[3]。DSI接口是一种高速的串行显示接口，可实现高分辨率显示，而且有功耗低、抗干扰强的特点^[4]。

　　图1所示是一个简化的DSI接口示意图^[5]，主机可以发送高速像素数据和低速命令给从机，并可以从机设备中读取状态或像素信息。主机和从机之间的通信一般是配置1对差分时钟通道，1~4对数据通道。

　　MIPI DSI支持两种基本操作模式，分别为命令模式（Command Mode）和视频模式（Video Mode）^[3]。命令模式是指主机端向从机设备发送命令和数据，转换为DBI格式，对显示设备进行读写操作，以此来间接控制从机端的外围设备的工作状态。从机端会通过双向的数据通道0返回相关数据，主机端因此也可以读取到从机设备的状态信息和缓存内容。视频模式主要是通过数据通道在高速传输模式下，由主机单向传输给从机以图像显示或视频数据，从机接收到进行解码后，最终将其转为DPI时序格式直接传送给显示设备，进行实时显示^[4]。

　　DSI接口支持两种传输模式，分别为高速数据传输模式（High-Speed Mode）和低功耗模式（Low-Power Mode）^[6]。其中所有的数据通道都可以用于单向的高速数据传输，如传输图片和视频数据。低功耗模式下的传输只通过双向的lane0进行，如低速数据和控制命令，速率可达10 Mbit/s。时钟通道传输高速传输过程中的同步时钟信号，采用高速DDR时钟，速率可达到1 Gbps。

　　MIPI DSI协议中规定数据是以数据包的形式传输，根据包的长度不同分为长包和短包。短包固定4个字节长度，是由标识符DI、data0、data1、ECC（错误校验码）组成^[6]，如图2所示。长包是由包头、包数据、包尾组成，如图3所示。包头是由DI、指定数据包中数据个数的WC、ECC码组成，包尾是16 bit的校验和，长包的总长度范围为6~65 541字节^[6]。

　　2 DSI接口工作原理

　　本文的设计目标是实现基于MIPI协议的显示接口的设计，支持4路通道的高速数据传输，包括图片或视频，通道0实现Escape模式下的低功耗传输模式，用以传输低速控制命令或数据，且支持lane0双向数据传输，时钟通道传输高速同步时钟信号，支持RGB888格式的数据输出，具有ECC校验、CRC校验功能等^[3]。

　　高速模式下，通道上有两种状态：HS-0、HS-1^[7]。在低功耗模式下，lane0上有4种状态：LP-00、LP-01、LP-10、LP-11 [8] 。根据总线上检测到不同的电平序列后，分别进入或退出相应的模式，如图4所示为从机通道工作的状态转移图 [7] ，可在高速模式、Escape模式、TA（Turnaround）模式之间切换。

　　所有的数据通道都支持高速数据传输模式，从机接收来自主机的高速串行数据进行编解码。在空闲的时间段，通道处于LP-11状态。当从机端接收到发自主机端的序列：LP-11→LP-01→LP-00，即高速请求序列之后,便准备进入高速数据传输模式接收高速数据。如需退出高速模式，则发送EOT→LP-11。图5为高速传输时序图^[7]，定义了整个高速传输过程的方式和时序。当从机端接收到高速模式下传输的数据后，会将数据包中的像素数据解析出来，生成RGB格式数据、同步信息、有效信息等，通过DPI接口输出给显示端进行显示成像。

　　当从机检测到主机发送序列：LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00，进入Escape模式。之后等待主机发送8bit的命令，可进入其中的三种模式：ULPS超低功耗模式、LPDT低功耗数据传输模式、Trigger模式。除了lane0都支持外，其他数据通道只支持其中的超低功耗模式。其中使用较多的是低速数据传输模式，lane0通过此模式可传输控制命令或数据。退出Escape模式主机需发送序列：LP-10→LP-11。

　　进入TA模式需要发送请求序列：LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00，之后主机会释放总线控制权，由从机获得总线控制权，通过lane0发送低速数据返回给主机，数据内容一般是响应信息、错误报告、结束包等，发送完毕后从机会发送TA模式的序列请求，将总线控制权交还给主机。退出TA模式发送序列LP-00→LP-10→LP-11即可。

　　3 MIPI DSI电路设计

　　依据MIPI DSI协议的层次划分，将DSI接口电路分为物理传输层模块、底层协议层模块、通道管理层模块、应用层模块4个主要模块^[3]，系统设计方案如图6所示。

　　（1）物理传输层：本层只要由时钟通道控制模块、数据通道控制模块组成，其中数据通道控制模块又分为数据通道0控制模块和其他数据通道控制模块。

　　时钟通道控制模块，主要实现检测时钟通道LP→HS和HS→LP的模式切换。数据通道控制模块，主要完成4个数据通道的高速模式和低功耗模式相互之间的切换检测，数据通道0的Escape模式和TA模式的检测^[3]。将接收到的高速模式和低功耗模式下的串行输入数据转为并行数据，并传输给通道管理层^[3]。将TA模式的返回数据进行并串转化，再通过lane0传输给主机^[2]。

　　（2）通道管理层：主要分为高速数据接收模块、低功耗模式数据接收模块，以及时钟切换模块。完成4个数据通道的高速模式的SOT序列检测，接收物理传输层发送过来的低功耗模式命令和数据^[3]。实现数据融合功能，将多通道的数据恢复原有字节顺序，并整合起来。时钟切换模块实现高速时钟、低功耗下时钟，以及TA模式下的不同时钟的切换。

　　（3）底层协议层：主要完成高速模式和低功耗接收模式的数据包数据包的解码和编码，及ECC、CRC检测。当接收来自物理传输层的数据时，对高速和低功耗模式的数据包进行解码，检测数据包的类型，根据长短包分别进行处理，并对ECC码进行检测校验、纠错，以及CRC校验。对接收到的低速返回数据包编码打包，主动生成对应的ECC校验码、CRC校验码，以返回主机以响应（ACK）和错误报告（Error Report）^[3]。另外需要处理来自物理层的错误信号和Trigger信号，以及本层内检测出的ECC校验错误和CRC校验错误^[4]。

　　（4）应用层：这部分直接与显示端连接，将接收到的数据和命令进行译码，分别可以进入视频模式和命令模式，最后转换成显示端能识别的DBI格式或DPI格式。进入视频模式后，将接收到的高速像素数据转为符合显示端兼容的DPI时序的数据，然后进行显示。当进入命令模式，将低功耗接收的数据包解码，之后转成DBI格式数据写到相应寄存器中。有时还需要从显示端读到的DBI格式，然后将其编码转为DSI接口数据，最后通过lane0发送给主机。

　　另外还有I²C配置模块，用于对各模块进行参数配置，确保设计的成功实现，也可方便验证和芯片调试，提高该设计的灵活性和兼容性。

　　4 DSI接口仿真与测试

　　4.1 仿真平台及方案

　　图7所示为此接口设计的仿真策略图，模拟MIPI主机发送机制，通过数据通道发送高速数据，通过数据通道0发送低功耗数据，该设计作为MIPI从机，接收数据后进行编解码，最终将相应的数据和命令输出，通过观察验证端口的仿真波形或数据比对，来确定设计是否完成对应的功能要求。

　　4.2仿真结果及分析

　　运行仿真后得到如图8所示的波形图，可以看出4个通道都支持高速数据传输模式，能将接收到串行数据转为并行数据，从数据包中解码出图像数据信息，如RGB数据、数据有效信号、行同步信号、帧同步信号等，符合设计的功能要求，高速功能通过验证。其他功能也是同理进行验证，不再赘述。

　　4.3 FPGA原型验证

　　在芯片流片前需要进行FPGA原型验证，将ASIC代码移植到FPGA上，进行硬件上的验证，这样更接近芯片实际情况，本质上模拟芯片的实际性能和应用，通过FPGA快速实现硬件模块，缩短开发时间，提高开发的效率，同时可以降低流片的风险和成本，所以也是芯片设计中的重要流程。如图9为FPGA原型验证的平台，由MIPI主机、转接板、连接线、FPGA开发板等组成，验证通过后进行流片。

　　5 结论

　　本文介绍了一种基于MIPI协议，且应用于高分辨率微显示驱动的接口设计，该接口设计采用了4通道的数据差分数据通道和1对高速差分时钟通道。首先介绍了微显示和MIPI接口的研究必要性，接着介绍了MIPI DSI协议，之后着重讲述了MIPI DSI接口设计的工作原理，以及设计的系统方案、主要模块的工作流程，最后介绍了仿真和FPGA验证的过程及结果分析。支持高速传输模式、Escape模式、TA反向传输模式，在低功耗模式下传输速率10 Mbit/s，高速数据传输速率可达到900 Mbit/s。目前已完成设计，并经过反复的仿真和验证，达到了设计要求，已完成流片。

　　参考文献

　　[1]季渊.超还原硅基有机发光微显示器研究[D].上海：上海大学,2012.

　　[2]谭振平,黄嵩人.应用于LCOS显示芯片的MIPI DSI驱动接口IP设计[J].科技传播,2016,8(03):78-79.

　　[3]谭振平.基于MIPI协议的显示驱动接口设计[D].湘潭：湘潭大学,2016.

　　[4]温浪明.基于MIPI-DSI协议的LCD驱动接口设计[D].广州：华南理工大学,2011.

　　[5]郑杰.一种适用于全高清显示的MIPI DSI接口设计[D].成都：电子科技大学,2015.

　　[6]MIPI Alliance Specification for Display Serial Interface version1.01.00[S].MIPI Alliance,2008.

　　[7]MIPI Alliance Specification for D-PHY version 1.2[S].MIPIAlliance,2014.

　　[8]苏晓峰.基于MIPI规范的LCD驱动接口设计[D].广州：华南理工大学,2011.

　　作者简介

　　尹远（1993—），硕士，主要研究方向：数字集成电路设计。

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第50页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。