新型USB主機橋顯示器的設計與驗證

文/牟赟

在日常生活中，液晶顯示器的使用越來越普及，但不同用戶終端的要求有所不同，比如游戲玩家選用無卡頓和撕裂現象的電競顯示器，醫院醫生診斷CT 病情需要專業的醫療顯示器，圖形圖像處理用戶選擇色彩更逼真的廣色域顯示器，以達到各自需求。在商用方面，一款能夠管理多系統操作的新型顯示器產品應運而生。目前研發的全球首款最新型商用USB 主機橋顯示器則是通過適當的鍵盤、鼠標、顯示器的配置，實現系統和網絡的集中管理。主要利用KVM 鍵盤(Keyboard)、顯示器(Video)、鼠標(Mouse)多主機切換系統，系統管理員可以通過一套鍵盤、鼠標、顯示器在多個不同操作系統的主機或服務器之間進行切換并實施管理。極大地方便用戶操作，節省時間，提高工作效率，提升了用戶體驗和滿意度。

1 系統硬件結構設計

根據液晶顯示系統的設計要求，USB 主機橋顯示器同樣也是采用模塊化設計整體構架，主要分為六大模塊：

（1）直流電源轉換模塊；

（2）信號輸入模塊；

（3）scalar 主控芯片模塊；

（4）音頻模塊；

（5）USB HUB 模塊；

（6）液晶顯示屏信號接口模塊。

而新型USB 主機橋顯示器的設計特點主要是它在傳統顯示器信號HDMI/DP 輸入模塊上，增加了Type-C 信號輸入和處理以及采用Host Bridge HUB 的設計方案，不僅擴大了顯示器的應用范圍，并且可以進行多系統集中管理的便捷操作，對商業顯示器的發展貢獻了一份力量。

首先我們介紹一下USB Type-C 接口：USB Type-C 接口是目前全新的USB 接口，如圖1所示，它的亮點在于更加纖薄的設計（尺寸小8.3mm×2.5mm）、更快的傳輸速度（最高10Gbps）以及更強勁的電力傳輸（最高100W），同時還可以傳輸視頻、聲音信號。Type-C 接口最大的特點是支持USB 接口雙面插入，即正反面都可以插,終于解決了“USB永遠插不準”的世界性難題。假如插拔換一次方向至少2s，按全球10 億人每天插拔一次USB，如果按50%概率插錯，共耗時277000多小時，約為31年。使用Type-C 接口正反隨便插的特點則節省了人們大量的時間，配備Type-C 連接器的標準規格連接線可通過3A電流，同時還支持超出現有USB 供電能力的“USB PD”，可以提供最大100W 的電力。

接下來，我們重點說明主機橋顯示器USB Host Bridge 的設計方案。

第一步，主機橋的原理說明：就是使用USB Type-C 信號傳輸，通過具有USB Host Bridge 的Hub,可以自動切換USB 上行口，達到通過一套鍵盤、鼠標、顯示器在多個不同操作系統的主機或服務器之間進行切換并實施管理。比如鼠標和鍵盤在兩個系統之間自由切換、進行系統間文本編輯復制粘貼、影音視頻等文件傳輸的多功能操作。USB Host Bridge 主機橋原理圖，如圖2所示。

第二步，硬件系統回路設計：本方案在傳統4K 顯示器硬件回路的設計上進行升級，USB HUB 回路設計主要采用新型GL3590 型號的USB HUB IC，擁有4 個USB3.0 接口,2個Type-C 接口（既可以當視頻顯示信號，也可以當USB 上行數據口）。系統硬件模塊設計示意圖，如圖3所示。

2 軟件系統設計

在系統的運行過程中，系統軟件主流程的關鍵是依據于所產生的不同事件，然后調用先前設定好各種不同狀態的處理流程，對其實施響應。

當顯示器初始上電時，首先會被系統進行初始化，當全部的初始化完成之后，系統便進入到循環運行的狀態。當輸入的有效信號被系統判別之后，系統會把其應支持的信號表與實際輸入的信號進行實施對比，而且依據對應的邏輯處理信號，最后在液晶顯示屏輸出顯示。當然在系統運行時，人機交互模塊的判斷也同時進行穿插。這也是普通顯示器軟體系統工作流程。

如果使用USB Host Bridge 功能的主機橋顯示器，則需要在軟體OSD 菜單中再增加PBP(Picture Beside Picture 畫邊畫)選項功能，這樣才能達到通過一臺顯示器同時控制多臺操作系統的顯示目的。系統軟件模塊設計示意圖，如圖4所示。

3 系統測試驗證

圖1：USB 接口示意圖

系統檢測是來對系統產品功能進行有效的評估，提早發現問題并進行改善。除了對4K 顯示器進行正常的系統功能檢測外，這里主要研究針對主機橋顯示器評估增加系統測試驗證項目。以下主要分為電路和軟件兩大基本功能檢測驗證。

3.1 電路基本功能檢測

USB Type-C 接口功能使用Type-C 治具板進行測試

（1）首要的任務在于進行確認每組電壓是否與設計要求相符合，以便確保電源供電的穩定性。當系統便處于正常的工作模式下，通過調節Type-C 治具板上的電壓開關，運用精密萬用表或數字示波器依次測量20V、15V、12V、9V、5V，電流設計要求不低于4.25A，以確認每組電壓和電流是否存在輸出是否在設計所允許的范圍之內。

（2）功率檢測主要使用儀器為功率計，顯示器需要搭配Type-C 治具板進行系統功率測試，功率最大不超過100W。

3.2 軟件基本功能檢測

完成測試電路基本功能之后，接下來就是系統的軟件基本功能測試，除了一般顯示器軟件功能測試之外，Host Bridge 主機橋顯示器主要增加OSD 菜單PBP 功能測試、USB Type-C信號測試和Host Bridge 功能兼容性測試：

3.2.1 OSD 菜單PBP 功能測試

系統OSD 菜單是實現其良好人機交互效果的核心部分，除了驗證其文字說明是否正確，主要確認PBP 功能是否正確無誤符合設計期望要求，確保畫邊畫功能正常顯示。

3.2.2 USB Type-C 信號測試

由圖形信號產生器或兼容顯卡或帶有Type-C 接口的手機產生Type-C 信號輸入給顯示器不同的畫面，例如不同顏色、灰階、靜態動態等形式的圖像畫面，測試各個的畫面是否能正常顯示，確保畫面不應當出現畫異、抖動、閃動、水波紋、雜色、豎線、橫細線、拖影、字跡模糊等問題等其他異常畫面顯示，需要符合畫質達標的要求。

目前具有Type-C 測試的設備如下：

顯卡：

NVIDIA GTX2070、GTX 2080

筆記本：

Mac Book Pro (MLH32CH/A:A1707) 、MAC Book Pro MPXT2CH/A、MAC Book Pro R962CHA、MAC Book Air MRE82CHA、Google Chromebook Pixel 2、Google Pixelbook、HP 830 G5、HP 840 G5、HP 745 G5、DELL Latitude 5490。

手機：

華為Mate20、華為P20…。

3.2.3 Host Bridge 主機橋功能兼容性測試

測試平臺：主機橋顯示器OSD 菜單須設置在PBP 功能下；顯示器USB3.0 接上一套鼠標，鍵盤；系統PC1 的桌面設置為帥哥桌面，并寫明為PC1；系統PC2 的桌面設置為美女桌面，并寫明為PC2；并在不同的操作系統Windows，Linux，MAC OS ，手機Android 系統上分別成功地安裝USB Host Bridge 驅動。然后進行如下相關操作驗證。

（1）鼠標在PC1 和PC2 之間移動操作，移動過程需順暢，不同系統間可進行自由切換。

（2）鼠標在PC1 上點擊操作再移動到PC2 之間進行點擊，操作過程正常。

（3）在PC1 與PC2 之間進行文本/復制/黏貼操作。

（4）在PC1 與PC2 之間進行截屏操作。

（5）在PC1 與PC2 之間進行文件傳輸操作，文本/影音/視頻應正常并完整傳輸，Copy 后需確認文件能正常打開。

（6）使用同一設備（U 盤）兩邊同時Copy 文件到PC1 和PC2，文件可以正常復制

（7）PBP Source 切換功能正常。

（8）Type C 為數據口+其它為視頻口（HDMI or Display port），畫面顯示及各功能應正常。

以上測試可結合多種組合方式：不同分辨率及刷新率，不同PC 擴展方式（擴展, 復制, 僅計算機）多操作系統Windows，Linux，MAC OS ，手機Android 系統之間進行操作和管理，以達到較全面的兼容匹配性。

4 結論

通過以上技術的研究，運用最新的USB Host Bridge 主機橋技術，拓展了顯示器的用途，改善視覺效果，提高工作效率，大大提升市場競爭力，使用戶享受最便捷、最流暢、最高效的多系統集中操作管理的新體驗。

圖2：USB Host Bridge 主機橋原理圖

圖3：系統硬件模塊設計示意圖

圖4：系統軟件模塊設計示意圖