汽車視頻應(yīng)用中的LVDS數(shù)據(jù)格式和接口電路

在新型汽車電子應(yīng)用中，信號(hào)格式變化最快的是視頻。幾年以前，車載設(shè)備中的視頻顯示還僅限于導(dǎo)航系統(tǒng)的小尺寸顯示屏，確切地說(shuō)，它只是一個(gè)導(dǎo)航電子裝置，有些豪華型汽車借助同一顯示器播放電視信號(hào)。視頻信號(hào)從電視接收機(jī)到顯示器輸出需要傳輸相當(dāng)長(zhǎng)的距離，圖像格式是被稱為復(fù)合視頻基帶信號(hào)(CVBS)的模擬信號(hào)。

近幾年，隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)視頻源、顯示設(shè)備和視頻傳輸線的研究開(kāi)發(fā)取得了很大進(jìn)展。例如，將導(dǎo)航顯示器與電子系統(tǒng)分離開(kāi)，使顯示器可以安裝在便于駕駛者觀察的位置。這種分離需要增加視頻傳輸線。

此外，如今汽車上安裝了越來(lái)越多的顯示設(shè)備，包括用于顯示速度、轉(zhuǎn)速、汽車狀態(tài)的電子儀表盤，以及后排座多媒體播放器(乘客能夠觀看電視或DVD等)。各個(gè)顯示器都需要視頻傳輸線。新一代汽車還可能配置各種攝像機(jī)用于輔助駕駛，例如后視鏡攝像機(jī)、夜視鏡以及路標(biāo)識(shí)別攝像機(jī)，而每個(gè)攝像機(jī)都需要通過(guò)視頻傳輸線連接到顯示設(shè)備。

車體內(nèi)部迅速增加的傳輸線，特別是這些傳輸線越來(lái)越長(zhǎng)，使得模擬CVBS信號(hào)的傳輸非常困難。這些信號(hào)格式不能承受汽車的電磁干擾。此外，大屏幕顯示與越來(lái)越高的分辨率進(jìn)一步加劇了視頻干擾(如多徑干擾)。

圖1：第一代LVDS收發(fā)器有8路輸出，可利用LVDS發(fā)送/接收器連接導(dǎo)航顯示屏。

減小視頻干擾的一種方案是用數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，視頻信號(hào)線本身不能產(chǎn)生干擾?，F(xiàn)已證明，低壓差分信號(hào)(LVDS)能夠?yàn)閿?shù)字視頻傳輸提供最合理的連接。小信號(hào)幅度(0.35V)、差分結(jié)構(gòu)使LVDS傳輸線具有最小的電磁輻射。

第一代LVDS傳輸器件(如MAX9213、MAX9214)已經(jīng)安裝在汽車上，可提供一路時(shí)鐘輸出和三路數(shù)據(jù)，利用LVDS發(fā)送/接收器連接導(dǎo)航顯示屏(圖1)。三路并行輸出要求達(dá)到圖像傳輸所需的速率，時(shí)鐘被用于同步傳輸。

圖2：在直流均衡LVDS數(shù)據(jù)輸出格式中，每7個(gè)并行數(shù)據(jù)位為一組，每組有2位附加位用于指示數(shù)據(jù)是否反轉(zhuǎn)。

第一代系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是可以選擇輸出電容耦合，這種耦合方式避免了發(fā)送器和接收器之間的地電位差，這個(gè)電位差有時(shí)可能達(dá)到幾伏量級(jí)。如果采用直流耦合，電位差可能使數(shù)據(jù)傳輸完全無(wú)法進(jìn)行，甚至產(chǎn)生很到的電流，從而損壞電路。若采用電容耦合，必須注意在一個(gè)傳輸方向不能讓數(shù)據(jù)對(duì)電容長(zhǎng)時(shí)間充電，傳輸一長(zhǎng)串“1”時(shí)即可發(fā)生這種情況。

MAX9213/MAX9214內(nèi)部的“直流平衡”電路能夠解決這一問(wèn)題。當(dāng)它檢測(cè)到一長(zhǎng)串“0”或“1”時(shí)，將在發(fā)送數(shù)據(jù)之前將其反轉(zhuǎn)。每7個(gè)并行數(shù)據(jù)位為一組，每組有2位附加位用于指示數(shù)據(jù)是否反轉(zhuǎn)，如圖2所示。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)接收端時(shí)，接收器再將其恢復(fù)到原始數(shù)據(jù)。為了避免電容過(guò)充電，發(fā)送器需要通知接收器數(shù)據(jù)是否經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)。

第一代LVDS器件的缺陷是需要四對(duì)雙絞線達(dá)到所要求的數(shù)據(jù)速率，因此8條數(shù)據(jù)線使機(jī)械結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。第二代LVDS器件對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，例如MAX9217和MAX9218，采用一對(duì)雙絞線同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。

圖3：MAX9217和MAX9218之間視頻、控制數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置和連接的結(jié)構(gòu)圖。

MAX9217串行器具有27位并行輸入，總線速率高達(dá)35Mbps。在這27位中，18位是視頻RGB數(shù)據(jù)，其中3基色各占用6位，其余9位是控制信號(hào)。9位控制信號(hào)中的前3位被指定為垂直、水平和RGB數(shù)據(jù)同步：VSYNC(C0)、HSYNC(C1)和ENAB(C2)。剩下的6個(gè)控制位(C3至C8)用于其他控制信號(hào)。

圖4：串行鏈路的視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)格式。

在本例中，我們使用6個(gè)控制位中的一部分傳輸音頻數(shù)據(jù)。MAX9217可以將18位RGB數(shù)據(jù)或9位控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，然后通過(guò)LVDS鏈路對(duì)其進(jìn)行傳輸。在視頻顯示的消隱期內(nèi)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，由RGB數(shù)據(jù)使能信號(hào)(ENAB)指示。MAX9218接收到串行數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成與MAX9217輸入格式相同的并行數(shù)據(jù)。同樣，當(dāng)MAX9218輸出并行數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)串行LVDS鏈路的時(shí)序重新生成總線時(shí)鐘。圖3為MAX9217和MAX9218之間視頻、控制數(shù)據(jù)鏈路設(shè)置和連接的結(jié)構(gòu)圖。圖4視頻數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的時(shí)序。根據(jù)視頻格式、顯示器分辨率和鏈路速率，RGB數(shù)據(jù)的控制占空比在1%至5%之間。

圖5：擴(kuò)頻技術(shù)降低EMI。

利用一對(duì)傳輸線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘的高速傳輸，這些器件可以比第一代器件傳送更多的數(shù)據(jù)。Maxim即將推出的該系列器件速度將達(dá)到42MHz，1.15Gb。時(shí)鐘頻率的提高導(dǎo)致更強(qiáng)的電磁輻射，可利用擴(kuò)頻傳輸技術(shù)減小EMI。擴(kuò)頻技術(shù)在時(shí)鐘頻率中加入抖動(dòng)，將原來(lái)的EMI峰值能量擴(kuò)散在較寬頻帶。由于能量不變，所以EMI的最大峰值被削減(圖5)。

第二代LVDS數(shù)據(jù)傳輸器件主要針對(duì)大屏幕應(yīng)用而設(shè)計(jì)。汽車內(nèi)部各種攝像機(jī)的連接并不需要很高的傳輸速度，針對(duì)這種應(yīng)用，Maxim的第三代LVDS器件采用低時(shí)鐘速率，并減少了并行數(shù)據(jù)總線的寬度。第三代器件用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，可被用來(lái)設(shè)置顯示器亮度和對(duì)比度，或攝像機(jī)的靈敏度。目前系統(tǒng)中使用的是CAN、LIN或UART傳輸總線，這些方案需要更多的器件、電纜，且占用空間大，成本較高。Maxim的第三代器件將用LVDS接口傳輸控制數(shù)據(jù)，而避免使用其它接口。