基于HDMI输出的大屏幕显示系统研究与设计

时间：2024-05-04

文/陈梅金张赛男

（1.福建捷联电子有限公司福建省福清市 350300）

（2.福建师范大学福清分校电子与信息工程学院福建省福清市 350300）

通过市场调研，发现当前普遍应用矩阵式分配器进行拼接显示器的信号分配显示，这种大屏幕拼接屏[1]的设计不得不依赖于第三方的矩阵式分配器。由于普通式大屏幕拼接屏是依靠外部设备完成拼接，所以对线材资源消耗也比较大。普通式或说传统的拼接屏无形当中给产品增加了第三方设备的费用和线材的费用支出，而且拼接起来灵活性还有所限制。正是基于降低费用和拉高大屏幕拼接屏的灵活性应用，本设计提出嵌入式分配器挂载到显示器主板上的应用，它既减少了其它的第三方设备，也可以灵活接线来满足显示器的大屏幕拼接组合显示。

1 系统简介

本设计系统由三个主要IC进行信号处理和逻辑控制，分别是图像处理器IC、分配器IC和逻辑控制MCU IC。系统的核心结构框图如图1系统结构图。

图像处理器芯片采用MTK Scaler IC，分辨率支持到4K 60Hz，负责Scaling处理，对信号的输入与输出控制处理，同时负责与MCU IC进行交互控制。分配器IC选用ITE IC，它负责信号1路输入和分配4路输出处理，分辨率最大支持到4K 60Hz。MCU也是选用ITE的MCU，它主要负责控制ITE分配器IC，以及负责与Scaler间的逻辑交互控制。

根据系统结构，一台PD[2]可以再串接出3台PD，以此类推可以灵活方便地进行扩展拼接，本设计使用55英寸屏幕的PD，考虑大部用户，最大支持10x10拼接方式。本设计竖直单台拼接最小分辨率可以支持到1x10的384x2160，实际上单台显示支持到384x216。横着单台拼接最小分辨率可以支持到10x1的4088 x230，实际上单台显示支持到408x230。最大分辨率理想状态支持到10x10的40960 x21600@60Hz，这是由于系统只要信号源足够强大，就可以进行自由输出拼接后的最大理想分辨率。针对相关Timing的输出需要特别制作相关EDID[3]来配合PC的输出处理。

图1：系统结构图

图2：接口结构

图3：交互图

本设计主要建立信号输入输出处理、PQ应用处理、信号Scaling处理、EDID处理，以及命令传输处理。解决了信号分配技术难点、特殊EDID技术问题，和拼接Scaling技术问题。分别从硬体和软体两方面进行系统设计和实现。

2 硬件系统设计

硬件系统主要分成电源板、主板和显示面板三大板块组成，本设计主要集中设计主板模块。主板主要是对整体电路设计和PCB设计，最后产出主板实物。电路上核心IC为Scaler图像处理器IC和HDMI分配器IC，以及分配器的MCU IC。在主要IC周边同样需要电源模块的电源供应，以及外部信号输入和输出的接口，构成了本设计的主要硬件系统。

2.1 接口介绍

本设计接口结构图如图2，主板上主要分成如下4个接口设计：

（1）HDMI接口：1个HDMI In，3个HDMI Out，主要用于单台显示和连接拼接显示；

（2）DVI接口：主要用于单台显示，以方便需要DVI信号接口的用户；

（3）RS232接口：设计分成两个接口，”RS232 IN”表示输入接口，用于Command的输入。”RS232 OUT”表示输出接口，用于Command转发到下一台PD上。本设计采用水晶头及网络进行Command传输。

（4）USB IN接口：USB输入接口主要用于软件Bin档的更新升级，以及USB图片和视频的播放应用。

2.2 Scaler模块介绍

Scaler图像处理芯片采用MSTar的MSD9xxx芯片，是我们设计系统的核心IC主控制芯片，它将负责我们系统信号侦测和显示器显示的最复杂的信号处理。核心图像处理芯片与其周边外围相关控制电路组成了本系统主要控制电路系统模块。Scaler的外围周边电路包含晶振电路、复位电路、直流分压电源电路、液晶面板背光控制电路、Flash控制电路、EEPROM控制电路、音频输出控制电路、按键板控制电路、HDMI信号输入控制电路、信号输出LVDS控制电路。

Flash是Scaler的软件存放位置，编译好的软件则可通过USB接口烧录到此Flash，也可以通过IIC线路，再由我们工程师Debug Tool更新烧录。

2.3 HDMI分配器模块介绍

HDMI分配器IC采用ITE的IT6xxx芯片，它由另外一颗ITE的逻辑控制MCU IC进行控制。ITE MCU同时由Scaler来交互控制。电路模块主要分成EQ模块控制、EDID模块控制、HDCP模块控制，以及Color Space模块控制，这些硬件模块实现通路设计，而后需要由软件进行实际控制实现。

2.4 USB模块

USB模块设计时需要符合软体烧录和媒体播放。软体烧录包含Scaler软体烧录和ITE MCU软体烧录。Scaler在大系统中软体更新，需要整机开机后根据OSD菜单[4]提示导航来完成，而ITE MCU它在电路中既是独立控制ITE分配器，同时又与Scaler有交互作用，所以ITE MCU小系统软体的烧录，需要考虑其个体性和整体性。本设计对ITE MCU更新软体的作法采用整机有上电时用系统电源对其供电，并通过烧录软件工具启动软体烧录；在没有整机系统上电的情况，采用PC端连接的USB线对其供电进行软体更新烧录。

3 软件系统设计

软件系统在硬件架构基础上进行设计和运行，本设计主要分成交互控制设计、Scaling处理设计、Tiling控制设计和Command控制设计。交互设计是Scaler与ITE MCU进行交互控制设计，主要控制信号行为和信息显示。当信号输入时，如果不是点对点的信号则进行相应信号Timing放大和缩小的Scaling控制。Tiling控制设计主要是在大屏幕拼接时边框补偿设计，以及对不同信号Timing的信号分配设计。Command控制设计主要是在拼接过程中，为了方便用于灵活控制控制组合进行设计。

3.1 交互设计

软件交互根据硬件对应的控制模块进行控制如交互图3。主要分成信号EQ控制、EDID控制、HDCP控制、Color Space控制[5]，以及软件版本信息读取。在市场上不同的用户环境，包含信号源及显卡、线材长短粗细等不同阻抗，会导致信号强度受到影响面而无法正常显示的问题，所以需要添加信号平衡性的调节控制即EQ控制设计。EDID控制主要是为了满足多种不同形式的拼接方式，我们也把它叫做花样拼接时需要PC送出对应Timing的信号而设计的灵活性EDID。为了符合HDMI高清信号标准，需要HDCP控制，它主要是对信号进行加密解密的控制应用。Color Space控制主要是考虑到在繁杂的终端用户中，经常会遇到一些用户采用非标准的信号进行输入，这些不标准的信号又经常都是色彩空间占多数，故而需要Color Space控制来应对特殊信号源。根据这些信号控制的设计还都会用到HPD与信号源控制。软件信息版本读取则只需要通过IIC指令向MCU寄存器获取对应版本信息。

表1：FreeSync对DPCD地址位控制需求表

3.2 Scaling处理设计

Scaling处理设计，针对不是1：1画面输入时，显示器对送来的信号进行放大、缩小，或16：9或4：3的信号处理输出到Panel端显示。如果信号源是1：1的信号输入，即与面板原始画面一致时，软体则采用By Pass方式输出显示。

3.3 Tiling控制设计

Tiling控制设计，主要是为了处理信号在拼接后，需要如何显示出用户想要的效果。主要有如下几点应用：

（1）OSD Tiling设计，需要做到让用户可以调整从1x1到10x10的任意组合的OSD；

（2）Tiling补偿设计，即拼接缝隙的补偿设计，Tiling组合过程中机台与机台之间总是会存在一定的间隙，为了让画面过度自然，需要对这机台间的缝隙进行补偿处理，在分辨率偏小时效果会更加明显。

3.4 Command控制设计

Command控制设计，是为了方便拼接组合后可以不通过机器的OSD控制，而用命令的方式对其进行控制，这样用户就可以不用通过按键和遥控器进行显示器控制。本设计命令控制采用RS232串行通信方式进行通信，协议采用Tiling指令格式自行定义，波特率采用9600 bit/s。命令解析控制的过程为输入开始、列表查找、功能执行、结束。

4 样机调试

拼接屏显示器设计好后，对样机进行调试和测试。调试部分主要分成信号调试、命令控制和实际拼接组合调试，测试主要进行功能测试和兼容测试两部分。

4.1 信号调试

信号调试，根据拼接组合可能涉及的Timing制作特殊EDID进行调试测试，所有预估Timing有列出461个，选择3个边缘性和中间1x1不做EDID切换的Timing列表如表1。经过所有Timing测试，符合原计划设计效果。

4.2 命令控制调试

命令控制调试通过PC端开发的Tool对我们样机进行调试，整体调试过程命令控制基本流畅，能够达到终端用户体验需求。并且画面PC端的Tool界面控制符合实际拼接组合的效果，调试和测试结果通过预期设计结果。

4.3 拼接组合调试

根据不同信号的EDID和命令控制Tool，组合兼容PC测试，也就是模拟终端用户实际拼接组合场景的应用进行调试测试，3x3拼接测试效果良好。除了部分Timing分辨率过低，导致显卡无法正常显示外，其它Timing调试均符合原设计预想效果。经过所有功能测试和兼容测试后，针对分辨率过低问题不影响正常一般用户和特殊用户使用，所以整体样机效果测试达到设计目的，产品按预期的时间进入正常量产。