應用于微顯示芯片的MIPI DSI驅動接口設計
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尹? 遠，黃嵩人 （湘潭大學?物理與光電工程學院，湖南?湘潭?411105）
摘? 要：隨著信息技術發展，高分辨率的微顯示器已廣泛應用于移動電子設備中，傳統顯示接口難以滿足其高 速率傳輸、低功耗、抗干擾、兼容性高等要求，因此本文針對以上問題，提出了一種基于MIPI DSI協議，并應 用于高分辨率微顯示芯片的顯示驅動接口的設計。
0 引言
微顯示芯片是一種特殊形態的顯示器，其物理尺寸 小，功耗較低，分辨率高，目前主要應用的產品形態 有：LCOS微顯示器，OLED微顯示器，LCD微顯示器 等。也可以通過光學系統產生大屏幕系統，常用于投影 系統和近眼顯示系統中[1]。其應用領域廣泛，如VR眼 鏡、AR智慧眼鏡、軍用頭盔、微型投影儀、車載抬頭 顯示等電子設備。
隨著消費級電子設備的發展，微顯示芯片應用的電 子產品越來越多，顯示的分辨率不斷增強，對顯示效果 的要求也日益提高，需要傳輸的數據量和速率也越來越 大，同時還要求設備保持高性能和低功耗，傳統的顯示 接口已滿足不了諸多要求。因此本文針對這種情況，設 計了一種適用于高分辨率微顯示芯片的MIPI DSI顯示驅 動接口[2]。
1 MIPI DSI協議介紹
MIPI DSI是MIPI（Mobile Industry Processor Interface，移動業處理器接口）聯盟為了對移動設備的外設接口標準進行統一，以提高系統兼容性、設計性能 和效率，而提出的一種顯示接口標準[3]。DSI接口是一 種高速的串行顯示接口，可實現高分辨率顯示，而且有 功耗低、抗干擾強的特點[4]。
圖1所示是簡化的DSI接口示意圖[5]，主機可以發送 高速像素數據和低速命令給從機，并可以從從機設備中 讀取狀態或像素信息。主機和從機之間的通信一般是配 置1對差分時鐘通道，1~4對數據通道。
MIPI DSI支持兩種基本操作模式，分別為命令模式 （Command Mode）和視頻模式（Video Mode）[3]。命令模式是指主機端向從機設備發送命令和數據，轉換為 DBI格式，對顯示設備進行讀寫操作，以此來間接控制 從機端的外圍設備的工作狀態。另外從機端會通過雙向 的數據通道0返回相關數據，主機端因此也可以讀取到 從機設備的狀態信息和緩存內容。視頻模式主要是通過 數據通道在高速傳輸模式下，由主機單向傳輸給從機以 圖像顯示或視頻數據，從機接收到進行解碼后，最終將 其轉為DPI時序格式直接傳送給顯示設備，進行實時顯 示[4]。
DSI接口支持兩種傳輸模式，分別為高速數據傳輸 模式（High-Speed Mode）和低功耗模式（Low-Power Mode）[6]。其中所有的數據通道都可以用于單向的高速 數據傳輸，如傳輸圖片和視頻數據。低功耗模式下的傳 輸只通過雙向的lane0進行，如低速數據和控制命令，速 率可達10 Mbit/s。時鐘通道傳輸高速傳輸過程中的同步 時鐘信號，采用高速DDR時鐘，速率可達到1 Gbit/s。
MIPI DSI協議中規定數據是以數據包的形式傳輸， 根據包的長度不同，分為長包和短包。短包固定4個字 節長度，由標識符DI、data0、data1、ECC校驗碼組成 [6]，如圖2所示。長包是由包頭、包數據、包尾組成，如 圖3所示。包頭是由DI、指定數據包中數據個數的WC、 ECC碼組成，包尾是16 bit的校驗和，長包的總長度范 圍為6~65541字節[6]。
2 DSI接口工作原理
本文的設計目標是實現基于MIPI協議的顯示接口 的設計，支持4路通道的高速數據傳輸，包括圖片或視 頻，通道0實現Escape模式下的低功耗傳輸模式，用以傳輸低速控制命令或數據，且支持lane0雙向數據傳輸， 時鐘通道傳輸高速同步時鐘信號，支持RGB888格式的 數據輸出，具有ECC校驗、CRC校驗功能等[3]。
高速模式下，通道上有兩種狀態：HS-0、 HS-1[7]。在低功耗模式下，lane0上有四種狀態：LP00、LP-01、LP-10、LP-11[8]。根據總線上檢測到不 同的電平序列后，分別進入或退出相應的模式，如圖4 所示為從機通道工作的狀態轉移圖[7]，可在高速模式、 Escape模式、TA（Turnaround）模式之間切換。
所有的數據通道都支持高速數據傳輸模式，從機接 收來自主機的高速串行數據進行編解碼。在空閑的時間 段，通道處于LP-11狀態。當從機端接收到發自主機端 的序列：LP-11→LP-01→LP-00，即高速請求序列， 之后便準備進入高速數據傳輸模式接收高速數據。如需 退出高速模式，則發送EOT→LP-11。圖5為高速傳輸 時序圖[7]，定義了整個高速傳輸過程的方式和時序。當 從機端接收到高速模式下傳輸的數據后，會將數據包 中的像素數據解析出來，生成RGB格式數據、同步信 息、有效信息等，通過DPI接口輸出給顯示端進行顯示 成像。
當從機檢測到主機發送序列：LP-11→LP10→LP-00→LP-01→LP-00，進入Escape模式。之后 等待主機發送8 bit的命令，可進入其中的三種模式： ULPS超低功耗模式、LPDT低功耗數據傳輸模式、 Trigger模式。除了lane0都支持外，其他數據通道只支持 其中的超低功耗模式。其中使用較多的是低速數據傳輸 模式，lane0通過此模式可傳輸控制命令或數據。退出 Escape模式主機需發送序列：LP-10→LP-11。
進入TA模式需要發送請求序列：LP-11→LP10→LP-00→LP-10→LP-00，之后主機會釋放總線控 制權，由從機獲得總線控制權，通過lane0發送低速數據 返回給主機，數據內容一般是響應信息、錯誤報告、結 束包等，發送完畢后從機會發送TA模式的序列請求， 將總線控制權交還給主機。退出TA模式發送序列LP00→LP-10→LP-11即可。
3 MIPI DSI電路設計
依據MIPI DSI協議的層次劃分，將DSI接口電路分 為物理傳輸層模塊、底層協議層模塊、通道管理層模 塊、應用層模塊4個主要模塊[3]，系統設計方案如圖6 所示。
1）物理傳輸層：本層只要由時鐘通道控制模塊、 數據通道控制模塊組成，其中數據通道控制模塊又分 為數據通道0控制模塊和其他數據通道控制模塊。時 鐘通道控制模塊，主要實現了檢測時鐘通道LP→HS和HS→LP的模式切換。數據通道控制模塊，主要完成了4 個數據通道的高速模式和低功耗模式相互之間的切換檢 測，數據通道0的Escape模式和TA模式的檢測[3]。將接 收到的高速模式和低功耗模式下的串行輸入數據轉為并 行數據，并傳輸給通道管理層[3]。將TA模式的返回數據 進行并串轉化，再通過lane0傳輸給主機[2]。
2）通道管理層：主要分為高速數據接收模塊、低 功耗模式數據接收模 塊，以及時鐘切換模 塊。完成4個數據通道 的高速模式的SOT序 列檢測，接收物理傳 輸層發送過來的低功 耗模式命令和數據[3]。 實現數據融合功能， 將多通道的數據恢復原有字節順序，并整合起來。時鐘 切換模塊實現高速時鐘、低功耗下時鐘，以及TA模式 下的不同時鐘的切換。
3）底層協議層：主要完成高速模式和低功耗接收 模式的數據包的解碼和編碼，及ECC、CRC檢測。當接 收來自物理傳輸層的數據時，對高速和低功耗模式的數 據包進行解碼，檢測數據包的類型，根據長短包分別 進行處理，并對ECC 碼進行檢測校驗、糾 錯，以及CRC校驗。 對接收到的低速返回 數據包編碼打包，主 動生成對應的ECC校 驗碼、CRC校驗碼， 以返回主機以響應 （ACK）和錯誤報告 （Error Report）[3]。 另外需要處理來自物理層的錯誤信號和Trigger信號，以 及本層內檢測出的ECC校驗錯誤和CRC校驗錯誤[4]。
4）應用層：這部分直接與顯示端連接，將接收到 的數據和命令進行譯碼，分別可以進入視頻模式和命 令模式，最后轉換成顯示端能識別的DBI格式或DPI格式。進入視頻模式后，將接收到的高速像素數據轉為符 合顯示端兼容的DPI時序的數據，然后進行顯示。當進 入命令模式，將低功耗接收的數據包解碼，之后轉成 DBI格式數據寫到相應寄存器中。有時還需要從顯示端 讀到的DBI格式，然后將其編碼轉為DSI接口數據，最 后通過lane0發送給主機。
另外還有I2C配置模塊，用于對各模塊進行參數配 置，確保設計的成功實現，也可方便驗證和芯片調試， 提高該設計的靈活性和兼容性。
4 DSI接口仿真與測試
4.1 仿真平臺及方案
圖7所示為此接口設計的仿真策略圖，模擬MIPI主 機發送機制，通過數據通道發送高速數據，通過數據通 道0發送低功耗數據，該設計作為MIPI從機，接收數據 后進行編解碼，最終將相應的數據和命令輸出，通過觀 察驗證端口的仿真波形或數據比對，來確定設計是否完 成對應的功能要求。
4.2仿真結果及分析
運行仿真后得到如圖8所示的波形圖，可以看出4個 通道都支持高速數據傳輸模式，能將接收到串行數據轉為并行數據，從數據包中解碼出圖像數據信息，如RGB 數據、數據有效信號、行同步信號、幀同步信號等，符 合設計的功能要求，高速功能通過驗證。其他功能也是 同理進行驗證，不再贅述。
4.3 FPGA原型驗證
在芯片流片前需要進行FPGA原型驗證，將ASIC代 碼移植到FPGA上，進行硬件上的驗證，這樣更接近芯 片實際情況，本質上模擬芯片的實際性能和應用，通過 FPGA快速實現硬件模塊，縮短開發時間，提高開發的 效率，同時可以降低流片的風險和成本，所以也是芯片 設計中的重要流程。如圖9為FPGA言行驗證的平臺，由 MIPI主機、轉接板、連接線、FPGA開發板等組成，驗 證通過后進行流片。
5 結語
本文介紹了一種基于MIPI協議，且應用于高分辨率 微顯示驅動的接口設計，該接口設計采用了四通道的數據差分數據通道和1對 高速差分時鐘通道。首先介紹了微顯示和MIPI接口的研 究必要性，接著介紹了MIPI DSI協議，之后著重講述了 MIPI DSI接口設計的工作原理，以及設計的系統方案、 主要模塊的工作流程，最后介紹了仿真和FPGA驗證的過 程及結果分析。支持高速傳輸模式、Escape模式、TA反 向傳輸模式，在低功耗模式下傳輸速率10 Mbit/s，高速 數據傳輸速率可達到900 Mbit/s。目前已完成設計，并經 過反復的仿真和驗證，達到了設計要求，已完成流片。
參考文獻：
[1] 季淵. 超還原硅基有機發光微顯示器研究[D].上海:上海大學, 2012.
[2] 譚振平,黃嵩人.應用于LCOS顯示芯片的MIPI DSI驅動接口IP 設計[J].科技傳播,2016,8(03):78-79.
[3] 譚振平. 基于MIPI協議的顯示驅動接口設計[D].湘潭:湘潭大學, 2016.
[4] 溫浪明. 基于MIPI-DSI協議的LCD驅動接口設計[D].廣州:華 南理工大學,2011.
[5] 鄭杰. 一種適用于全高清顯示的MIPI DSI接口設計[D].成都:電 子科技大學,2015.
[6] MIPI Alliance Specification for Display Serial Interface version 1.01.00[S].MIPI Alliance,2008.
[7] MIPI Alliance Specification for D-PHY version 1.2[S]. MIPI Alliance,2014.
[8] 蘇曉峰.基于MIPI規范的LCD驅動接口設計 [D].廣州:華南理工大學,2011.
本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第03期第55頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
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