桥接集成电路——适用于任何设备的图像 和视频传输转换器

越来越多的设备都配备显示器，包括冰箱、智能手表和汽车。用户期望在任何介质上都能够以零抖动的方式实现清晰的播放。即使采用不同的标准，也可以使用桥接集成电路（IC）来做到这一点。

低压差分信号技术（LVDS）是快速传输大量数据最知名的差分方法，传输速率高达每秒数Gbit，因而可以处理图像和视频内容。LVDS技术是National Semiconductor（编者注：已被TI 收购）开发的，美国电子工业协会（EIA）将其标准化为EIA-644 规范。这是许多IC 供应商都在使用的自由开放的标准规范。

LVDS是一项高效节能的单向连接技术，该技术使用两条铜缆之间的电压差来传输信息。LVDS 发送器基于四个串行差分线对之上的输入时钟，对多达24位数据进行编码（见图1），终止电阻可防止信号反射回信号源。

由于LVDS 可在3.3 V 以下的低电压下工作，因而所需的电流极少，并且仅产生较小的电磁干扰。差分工作方式消除了产生电磁波的共模电压。LVDS 仅描述物理级别；以LVDS 为基础，出现了其他几种通信标准，包括FPD-Link（平板显示器）、FPD-Link II 和III、MIPI（移动行业处理器接口）和DVP（数字视频端口）。

1 带有FPD-Link的LVDS

当我们谈论LVDS 时，通常指的是FPD 结构LVDS。FPD-Link 是National Semiconductor 连同LVDS 一起开发的，至今仍是笔记本电脑、平板电脑或LCD 电视及其显示器之间传输图形和视频数据的标准。

FPD-Link 芯片组由支持18 位和24 位彩色显示屏的发送器（TTL 到LVDS） 和接收器（LVDS 到TTL）组成。在TTL 级别，将来自图形控制器的RGB数据和控制数据传输到FPD-Link 发送器的输入。它充当并行TTL 数据的多路复用器（mux），并将其转换为串行LVDS 标准数据。LVDS 数据通过将主板连接到显示器的线缆发送到发送器。在显示屏的FPDLink接收器上，它们经过反序列化（解复用）操作，这意味着LVDS 信号数据转换回到TTL 信号格式，并发送到时序控制器的输入。通过多路并行TTL 信号的复用操作，允许通过窄带接口传输更高速率数据。这样，还可以满足高带宽通信的要求。

图2 显示了具有4 根LVDS 线对的FPD-Link 结构。4 根电缆中的3 根用于传输图形和视频信号，而第4 根电缆用于传输LVDS时钟信号。多路复用器电路将并行的图形和视频信号串行化，并通过差分对进行传输。因此，与需要22 根电缆的其他方案相比，这个方案仅需要3 根电缆，并且改善了电磁兼容性。

FPD-Link 芯片组具有下降沿和上升沿，以及可编程的数据导入功能，可提供配合各种图形和LCD 面板控制器的便捷接口。5 V或3.3 V芯片组支持（20~65）MHz 频率范围。

2 MIPI

MIPI 联盟已经规定了移动网络设备中的六种类型接口：物理层、多媒体、芯片对芯片或进程间通信、设备控制和数据管理、系统调试以及软件集成。每个规范都满足这些设备的最重要要求：低能耗、高带宽和低电磁干扰。

显示器串行接口（DSI）和DSI-2 是1 个或多个显示器与应用处理器之间的MIPI 接口。它们定义了串行总线和通信协议，用于主机、图像数据源和目标应用之间的数据传输。它们的开发目的是为移动设备（如智能手机、笔记本电脑和平板电脑、可穿戴设备、增强现实应用和车辆仪表板）实现低成本的显示控制器。

在物理层，DSI 规定了串行点对点高速差分信号总线。它包含一个高速时钟通道和一个或几个数据通道。由于使用差分信号，每个通道覆盖两条线缆。除第一个数据通道（通道0）之外，所有通道都从DSI主机运行到DSI 设备。它具有总线翻转操作（BTA）能力，可以使传输方向反转。当使用多个通道时，它们并行传输数据，因此当使用4 个通道时，可以同时传输4 位数据。

这项连接可在低功耗模式或高速模式下运行，能够以最低的延迟完成两种模式之间的转换。在低功耗模式下，最大速率时钟被禁用，信号时钟信息被嵌入到数据中。数据速率不足以控制显示，但可以用于发送配置信息和命令。

在高速模式下，高速时钟信号用于数十兆赫兹至几千兆赫兹频率范围，作为数据通道的位时钟。时钟速率取决于显示器的要求。由于信号输出只需要低电压，且数据可以并行传输，因此，可以使用最小的功率运行高速模式。

4 其他DSI层

在通道管理方面，发送器根据带宽要求将发送的数据分布在4 个通道中的1 个或几个上。对于映射（确定在哪个通道上传输哪个位数据的方法），视频电子标准协会（VESA）和日本电子工业发展协会（JEIDA）已经建立了成熟的标准。

低层协议层定义了如何将位和字节数据组织为数据包，以及哪些位构成报头和有效负荷。这也是执行错误检查操作的地方。在应用级别，来自下一层的数据最终会转换为像素或命令。

5 LVDS对比MIPI DSI

比较LVDS 和MIPI DSI，两者仅有1 个共同点：都使用4 个通道。然而，LVDS 仅传输视频/ 图像信号，使用标准面板工作组（SPWG）或JEIDA 标准将RGB-TTL 信号转换为LVDS 信号。另一方面，MIPIDSI 不仅可以传输视频/ 图像数据，还可以传输命令信号。MIPI DSI 也可以根据特定的握手序列和规则来控制两种信号。

6 DSI和LVDS之间的桥梁

如果应用过程不支持其中一种标准或者没有足够的通道来连接显示模块，则可以使用桥接IC 在处理器的视频输出与显示模块、摄像头或其他外围设备显示器的输入之间创建相应的接口。这样就可以将应用进程连接到各个显示器，而不必重新开发整个系统。

东芝公司提供一系列桥接集成电路（IC）产品，它们适用于消费类、工业和汽车应用，例如智能手表、平板电脑、超级本电脑、4K UHD 显示器、智能电视、可穿戴设备、摄像头、游戏配件、头戴式显示器（HDM）、LCD、I/O 端口扩展和POS 应用。

DSI-LVDS 桥接IC 能够通过DSI 链接来控制LVDS 兼容显示器，这些显示器支持24 位像素分辨率。TC358771XBG 和TC358774XBG 型号在DSI SingleLink 上支持分辨率为1 600×1 200 像素的经典4 ∶ 3（UXGA，超扩展图形阵列）显示。TC358772XBG和TC358775XBG 型号则支持WUXGA（宽超扩展图形阵列），可通过DSI Dual Link 进行16 ∶ 10 格式、1 920×1 200 像素分辨率显示。桥接IC 还支持由DSI链路控制的I2C 主设备，用作与其他控制功能连接的I2C 接口。

这些桥接IC 使用LVDS 标准在135 MHz 下工作，而在DSI 标准中，其每条通道的传输速率最高为1 Gbit/s，支持视频输入格式RGB565/666/888。通过基于环境光来优化LCD 显示器的背光照明，这些桥接IC 可以帮助减少移动设备的功耗。

7 结论

对于不支持DSI 的设计，开发人员可以通过东芝桥接IC 等产品利用DSI 的优势（低功耗、低像素数据速率和低组件成本），从而在这个迅速发展的市场中获得他们需要的灵活性优势。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期）