一種基于FPGA的4K HDMI轉(zhuǎn)eDP視頻接口的設(shè)計(jì)

謝緒煜，龍 彬，周 軍，胡 彬

（長沙湘計(jì)海盾科技有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引 言

現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)以其可靠性高、速度快及設(shè)計(jì)靈活的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域。目前在民用領(lǐng)域，液晶顯示器或者4K電視機(jī)廠商常用驅(qū)動(dòng)4K eDP接口液晶面板的方案，主要是基于晨星MSTAR或者Realtek、國內(nèi)海思及瑞芯微等圖像處理芯片設(shè)計(jì)的，而該方案靈活性較低，如需要增加新的視頻圖像接口或者改變某一項(xiàng)圖像處理功能較為困難。例如，在主顯示屏幕eDP顯示畫面基礎(chǔ)上再增加一個(gè)副屏幕eDP環(huán)出顯示或者VGA環(huán)出顯示不一樣的分辨率圖像就不能用上述方案來實(shí)現(xiàn)，局限性較大，且該方案視頻接口切換畫面顯示較慢，多達(dá)10 s鐘的時(shí)間才能完成畫面切換，無法做到無縫切換[1-4]。針對上述情況，介紹一種基于FPGA將4K HDMI視頻信號轉(zhuǎn)為eDP接口信號的方法。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)利用高速FPGA將HDMI視頻信號通過圖像處理后轉(zhuǎn)為eDP的接口信號。系統(tǒng)中的FPGA內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)思路，例化的模塊包括HDMI RX模塊、MicroBlaze軟核模塊、scaler縮放模塊、FIFO模塊、DDR3總線控制模塊、DDR3的IP核模塊、4K圖像數(shù)據(jù)融合模塊、4K高清時(shí)序控制模塊以及eDP TX模塊。其中，HDMI RX模塊從PC主機(jī)接收視頻圖像，對4K HDMI信號進(jìn)行解碼，并將HDMI視頻圖像轉(zhuǎn)換為通用的圖像數(shù)據(jù)處理RGB格式；scaler縮放模塊采用雙線性插值算法將分辨率低于3 840*2 160的RGB格式的視頻圖像分辨率放大至4K，縮放后的圖像數(shù)據(jù)用高速FIFO模塊保存；FIFO模塊的保存數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)像素點(diǎn)數(shù)量時(shí)，按行將當(dāng)前保存的像素點(diǎn)寫入DDR3 SDRAM；4K圖像數(shù)據(jù)融合模塊采用乒乓操作方式從DDR3 SDRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括對比度調(diào)節(jié)、亮度調(diào)節(jié)及圖像降噪處理；處理完成后由4K高清時(shí)序控制模塊轉(zhuǎn)換為eDP信號，最終由eDP TX硬件接口發(fā)送至4K高清顯示器顯示。本設(shè)計(jì)可使4K高清液晶顯示器的顯示速度加快，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)現(xiàn)4K HDMI視頻轉(zhuǎn)eDP視頻接口原理框圖

本設(shè)計(jì)中采用的高速FPGA為美國Xilinx公司的生產(chǎn)的kinetx-7系列XC7K325T-2FFG900I，該系列FPGA采用28 nm工藝生產(chǎn)，內(nèi)部含有豐富的邏輯資源，包括高速GTX接口、DDR3高速接口等，可以滿足4K的高速圖像處理要求。eDP驅(qū)動(dòng)器采用SN65DP159RZ芯片來增強(qiáng)其傳輸數(shù)據(jù)的能力，以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)長線傳輸要求，避免數(shù)據(jù)時(shí)鐘抖動(dòng)現(xiàn)象[5-6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

HDMI RX硬件接口與PC主機(jī)通過HDMI線纜連接，HDMI RX硬件接口由FPGA內(nèi)部的MicroBlaze軟核模塊控制，從PC主機(jī)接收HDMI視頻圖像數(shù)據(jù)并做處理。在本設(shè)計(jì)中，PC電腦主機(jī)應(yīng)能輸出分辨率為3 840*2 160的4K HDMI視頻圖像，若PC主機(jī)不能輸出4K圖像分辨率，也可以通過縮放模塊將其放大為4K圖像信號。為了改善信號的傳輸質(zhì)量，在HDMI RX模塊的HDMI RX硬件接口的前端增加了視頻圖像信號調(diào)理電路，具體的信號調(diào)理電路如圖2所示，PC主機(jī)與HDMI RX硬件接口之間上拉串聯(lián)的50 Ω電阻和20 nH電感，然后在上拉點(diǎn)與HDMI RX硬件接口之間設(shè)置0.1 uF電容。通過該信號調(diào)理電路對PC主機(jī)傳輸?shù)腍DMI視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理，從而使HDMI RX模塊接收到的HDMI視頻圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量更高，避免出現(xiàn)閃屏和信號出現(xiàn)噪點(diǎn)的現(xiàn)象。HDMI接口的EDID信息保存在硬件電路的EEPROM芯片中，EEPROM 芯片選用24LC02B。當(dāng)PC主機(jī)檢測到HDMI熱插拔HPD信號后，通過IIC管腳的SCL和SDA管腳讀取EDID信息，以確定其輸出的圖像分辨率大小。

圖2 HDMI信號調(diào)理與FPGA GTX連接硬件電路圖

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 HDMI圖像數(shù)據(jù)流處理設(shè)計(jì)

HDMI RX模塊從PC主機(jī)接收到的HDMI信號包括像素時(shí)鐘hdmi_clk、像素點(diǎn)有效指示信號hdmi_de、行同步信號hdmi_hsync、場同步信號hdmi_vsync以及像素點(diǎn)24 bit的hdmi_rgb[23：0]數(shù)據(jù)；對于分辨率為3 840*2 160的視頻圖像無需進(jìn)行縮放處理，對于分辨率小于3 840*2 160的圖像進(jìn)行scaler模塊放大成3 840*2 160的分辨率；縮放后的數(shù)據(jù)存入FIFO模塊，由于DDR3程序存入圖像按行存儲(chǔ)，因此當(dāng)FIFO模塊的數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)值fifo_data_count計(jì)到大小為3 840個(gè)像素點(diǎn)的時(shí)候，表明一行圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)緩存完畢。邏輯模塊調(diào)用FPGA內(nèi)部的DDR3 IP核模塊，將一行大小為3 840的像素點(diǎn)數(shù)據(jù)寫入DDR3 SDRAM存儲(chǔ)芯片中。4K圖像數(shù)據(jù)融合模塊讀取DDR3 SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)并經(jīng)過圖像增強(qiáng)、去噪等處理之后發(fā)送至4K高清時(shí)序控制模塊，4K高清時(shí)序控制模塊將數(shù)據(jù)寫入eDP TX IP核，最終調(diào)用eDP TX模塊內(nèi)部的高速接口將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到高清顯示器，F(xiàn)PGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部圖像數(shù)據(jù)處理流程圖

DDR3模塊讀寫視頻圖像數(shù)據(jù)采用AXI總線控制方式。AXI總線控制方式具有讀寫速度快、操作規(guī)范的特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)中，DDR3 IP核設(shè)置的工作主頻為667 MHz而沒有設(shè)置成800 MHz，目的是為了降低功耗及增加可靠性。AXI_Data_Width的位寬設(shè)置為512 bit，經(jīng)過計(jì)算得出一共需要4片16 bit數(shù)據(jù)位的DDR3 SDRAM組合才能滿足數(shù)據(jù)流帶寬要求，AXI總線為512 bit的數(shù)據(jù)位寬需要16個(gè)hdmi_rgb[23：0]像素點(diǎn)來拼接，拼接的原則為：先到達(dá)的像素點(diǎn)存于低位，晚到的像素點(diǎn)存于高位。1行3 840個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以拼接成240個(gè)512 bit的AXI總線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)拼接原理如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)拼接原理圖

3.2 雙線性插值算法模塊設(shè)計(jì)

雙線性插值算法廣泛應(yīng)用于顯示器圖像處理領(lǐng)域，可以將圖像的分辨率放大來適應(yīng)顯示屏的顯示要求，核心思想是在相鄰的上下左右4個(gè)像素點(diǎn)插入1個(gè)像素點(diǎn)，其計(jì)算方法為：

式中：f(i+u,j+v)可由原圖像中4個(gè)像素坐標(biāo)為（i，j）、（i+1，j）、（i，j+1）、（i+1，j+1）所 對應(yīng)的像素值決定；u、v為浮點(diǎn)坐標(biāo)的小數(shù)部分，通過計(jì)算得到，取值范圍為[0，1）區(qū)間的浮點(diǎn)數(shù)。

scaler縮放模塊采用雙線性插值算法實(shí)現(xiàn)，其功能是將任意分辨率的輸入圖像轉(zhuǎn)變?yōu)?K圖像，實(shí)現(xiàn)圖像插值放大。

雙線性插值模塊用vivado HLS軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。vivado HLS工具可以將C語言高級綜合為硬件，極大地節(jié)約了設(shè)計(jì)人員的開發(fā)時(shí)間。HLS軟件部分代碼如下所示，生成的verilog硬件代碼如圖5所示。

圖5 HLS生成的verilog硬件代碼圖

for（col=1;col＜=destW;col++）{

srcCol=（（float）col）*colRatio;

k=（unsigned int）（srcCol）;

u=srcCol-k;

coffiecent0=（1.0-t）*（1.0-u）;

coffiecent1=（1.0-t）*u;

coffiecent2=（t）*（1.0-u）;

coffiecent3=t*u;

src_pixlel_coor1=getClip（k，srcW，1）;

src_pixlel_coor3=getClip（（k+1），srcW，1）;

}

3.3 eDP發(fā)送4K高清圖像數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

eDP是一種低電壓擺幅的差分信號技術(shù)，它使得信號能在長距離的差分PCB線對或平衡線纜上以幾百兆赫茲的速率傳輸，視頻數(shù)據(jù)通過eDP接口標(biāo)準(zhǔn)傳輸時(shí)有特定的數(shù)據(jù)格式。本設(shè)計(jì)中，eDP協(xié)議包含在eDP IP核中，因此要實(shí)現(xiàn)eDP接口發(fā)送4K高清視頻數(shù)據(jù)功能，需使用官方推薦的eDP IP核，該IP核中有一些參數(shù)如鏈路速度、帶寬及數(shù)據(jù)位寬等需要C語言軟件配置才能更好管理及使用。由于需要配置eDP IP核的參數(shù)較多，為了降低配置管理的難度，本文調(diào)用了FPGA自帶的MicroBlaze軟核對eDP IP硬核參數(shù)進(jìn)行配置。MicroBlaze軟核具有嵌入式軟件管理功能，MicroBlaze核與eDP TX IP硬核的例化模塊如圖6所示。lnk_clk_p和lnk_clk_n分別為eDP IP核差分輸入時(shí)鐘的正負(fù)端口，此處設(shè)置輸入的時(shí)鐘頻率為135 MHz；lnk_tx_lane_p[3：0]和lnk_tx_lane_n[3：0]分別為eDP IP核傳輸?shù)牟罘謹(jǐn)?shù)據(jù)的正負(fù)端口，若要傳輸4K的分辨率要同時(shí)調(diào)用4對lnk_tx_lane；tx_hpd為PC主機(jī)檢測的熱插拔信號；aux_tx_io_p和aux_tx_io_n分別為eDP輔助信號通道，用來與顯示器的TCON板之間的信號握手和EDID信息讀取。

圖6 例化的eDP模塊圖

4K高清時(shí)序控制模塊根據(jù)自身產(chǎn)生的有關(guān)eDP模塊的控制時(shí)序，將數(shù)據(jù)預(yù)處理得到的4K視頻圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為eDP信號，進(jìn)而將eDP信號寫入eDP TX模塊。MicroBlaze軟核模塊控制eDP TX模塊，使eDP TX模塊通過eDP TX硬件接口將視頻圖像數(shù)據(jù)至4K高清顯示器。MicroBlaze軟核模塊控制eDP TX硬核模塊的軟件控制流程如圖7所示。首先初始化MicroBlaze軟核模塊與eDP TX模塊之間的AXI總線，接收來自4K高清顯示器的EDID信息，通過接收鏈路信息選擇對應(yīng)的lane通道和link rate速度；eDP TX模塊使用確定的lane通道并以確定的link rate速度，通過eDP TX硬件接口將視頻圖像數(shù)據(jù)至4K高清顯示器。

圖7 eDP軟件處理流程圖

在vivado開發(fā)軟件生成的工程導(dǎo)出硬件eDP_wrapper.hdf文件后，利用SDK軟件開發(fā)工具導(dǎo)入硬件eDP_wrapper.hdf文件配置信息；根據(jù)硬件信息生成軟件工程，該軟件工程包含BSP底層驅(qū)動(dòng)，通過編寫MicroBlaze軟核C語言軟件程序來控制eDP參數(shù)的配置與發(fā)送數(shù)據(jù)的過程管理，可以實(shí)現(xiàn)4K高清圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送[7]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對基于FPGA的4K HDMI轉(zhuǎn)eDP視頻接口進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)，需要將PC主機(jī)視頻顯卡發(fā)送的分辨率為3 840*2 160的視頻圖像通過HDMI接口線纜連接到4K HDMI轉(zhuǎn)eDP視頻接口系統(tǒng)電路板，再從HDMI轉(zhuǎn)eDP視頻接口系統(tǒng)電路板用eDP線連接到4K高清顯示器進(jìn)行顯示。測試結(jié)果如圖8所示，在高清顯示器上顯示1路PC主機(jī)桌面圖像，桌面上顯示輸入的分辨率信息為3 840*2 160，可見設(shè)計(jì)滿足1路圖像接收機(jī)顯示要求[8]。

圖8 分辨率為3 840*2 160的HDMI圖像畫面

5 結(jié) 語

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于FPGA的4K HDMI轉(zhuǎn)eDP視頻接口系統(tǒng)能滿足4K高清顯示技術(shù)要求，具有顯示速度快、可以無縫切換的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于自主可控設(shè)計(jì)領(lǐng)域如軍工或者航天等。本文研究對于高速4K高清顯示器或者4K電視機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。