明(míng)德揚4K_HDMI FMC板卡(kǎ)設計(jì)

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1  4K_HDMI FMC板卡(kǎ)概述

深圳明(míng)德揚科技教育有(yǒu)限公司（簡稱MDY）研發(fà)了(le)一(yī)款低成(chéng)本(běn)的(de)4K_HDMI FMC板卡(kǎ), FMC接口(kǒu)采用(yòng)的(de)是(shì)HPC（高(gāo)針(zhēn)數）類(lèi)型，对(duì)于(yú)市(shì)面(miàn)上(shàng)的(de)具有(yǒu)FMC_HPC接口(kǒu)的(de)開(kāi)發(fà)板都兼容。通(tòng)过(guò)FMC接口(kǒu)與(yǔ)FPGA主(zhǔ)板相連(lián)的(de)模式来(lái)設計(jì)組成(chéng)完整的(de)開(kāi)發(fà)。FMC的(de)型号(hào)選用(yòng)SAMTEC公司的(de)asp-134488-01。該HDMI FMC板卡(kǎ)擴展(zhǎn)了(le)一(yī)路(lù)HDMI輸出(chū)接口(kǒu)和(hé)一(yī)路(lù)HDMI輸入(rù)接口(kǒu)。HDMI FMC板卡(kǎ)是(shì)一(yī)款支持(chí)4K 60幀的(de)HDMI 輸入(rù)輸出(chū)開(kāi)發(fà)模块(kuài)，該模块(kuài)采用(yòng)IT68051作为(wèi)HDMI接收(shōu)器，接收(shōu)到(dào)的(de)數據(jù)通(tòng)过(guò)FMC接口(kǒu)與(yǔ)FPGA相連(lián)，采用(yòng)LT2611UX作为(wèi)HDMI發(fà)送器，通(tòng)过(guò)FMC接口(kǒu)接收(shōu)FPGA發(fà)送到(dào)LT2611UX的(de)LVDS視頻數據(jù)。 HDMI FMC板卡(kǎ)主(zhǔ)要(yào)原理框图(tú)如(rú)图(tú)1所(suǒ)示，HDMI FMC板卡(kǎ)結構尺寸(cùn)图(tú)如(rú)图(tú)2所(suǒ)示。

图(tú)1  HDMI FMC板卡(kǎ)原理框图(tú)

图(tú)2 HDMI FMC板卡(kǎ)結構尺寸(cùn)图(tú)

2主(zhǔ)要(yào)接口(kǒu)介紹

2.1 HDMI IN接口(kǒu)

IT68051是(shì)双(shuāng)端口(kǒu)HDMI2.0b接收(shōu)器，支持(chí)6.0Gbps /通(tòng)道(dào)的(de)功能(néng)，每个(gè)端口(kǒu)的(de)带(dài)宽(kuān)高(gāo)达(dá)18Gb/s。端口(kǒu)0還(huán)可(kě)以(yǐ)支持(chí)在(zài)HDMI2.0b和(hé)MHL2.2双(shuāng)模式下(xià)運行，它(tā)與(yǔ)MHL2.2、HDMI 1.4b/ HDMI2.0b，HDCP 1.4 / HDCP2.2完全(quán)兼容，并向(xiàng)後(hòu)兼容DVI 1.0規範。IT68051具有(yǒu)深色(sè)功能(néng)（最(zuì)高(gāo)36位），可(kě)确保可(kě)靠接收(shōu)高(gāo)質(zhì)量(liàng)的(de)未壓縮視頻內(nèi)容，以(yǐ)及(jí)數字(zì)格式的(de)DTS-HD和(hé)Dolby TrueHD等最(zuì)先(xiān)進(jìn)的(de)未壓縮和(hé)壓縮數字(zì)音(yīn)頻內(nèi)容電(diàn)視和(hé)投影儀。IT68051還(huán)支持(chí)所(suǒ)有(yǒu)與(yǔ)HDMI 2.0 3D規範兼容的(de)主(zhǔ)要(yào)3D格式。HDMI IN接口(kǒu)電(diàn)路(lù)图(tú)如(rú)图(tú)3所(suǒ)示。

图(tú)3 HDMI IN接口(kǒu)電(diàn)路(lù)图(tú)

除了(le)支持(chí)各(gè)種(zhǒng)視頻輸出(chū)格式外(wài)，IT68051還(huán)接收(shōu)并提(tí)供多(duō)达(dá)12个(gè)通(tòng)道(dào)的(de)I2S數字(zì)音(yīn)頻輸出(chū)，采樣(yàng)率高(gāo)达(dá)192kHz，采樣(yàng)大小高(gāo)达(dá)24位，從而(ér)可(kě)以(yǐ)直(zhí)接連(lián)接到(dào)行業标(biāo)準的(de)低成(chéng)本(běn)音(yīn)頻DAC。此(cǐ)外(wài)，還(huán)提(tí)供了(le)一(yī)个(gè)S / PDIF輸出(chū)，以(yǐ)支持(chí)高(gāo)达(dá)192kHz幀頻的(de)壓縮音(yīn)頻。超級音(yīn)頻光(guāng)盤（SACD）通(tòng)过(guò)DSD（直(zhí)接流數字(zì)端口(kǒu)）端口(kǒu)最(zuì)多(duō)支持(chí)8个(gè)通(tòng)道(dào)和(hé)88.2kHz。IT68051還(huán)通(tòng)过(guò)两(liǎng)个(gè)接口(kǒu)提(tí)供了(le)高(gāo)比特(tè)率（HBR）音(yīn)頻：四(sì)个(gè)I2S輸出(chū)端口(kǒu)或(huò)S/PDIF輸出(chū)端口(kǒu)。通(tòng)过(guò)两(liǎng)个(gè)接口(kǒu)，最(zuì)高(gāo)可(kě)支持(chí)的(de)HBR幀速率高(gāo)达(dá)1536kHz。IT68051支持(chí)将4Kx2K @ 60/50Hz縮減至(zhì)1080P @ 60/50Hz。它(tā)支持(chí)60位LVTTL接口(kǒu)，以(yǐ)将各(gè)種(zhǒng)視頻內(nèi)容傳輸到(dào)下(xià)一(yī)級視頻处理器。通(tòng)过(guò)輸出(chū)接口(kǒu)，IT68051可(kě)以(yǐ)支持(chí)4K2K @ 60 UHD視頻分(fēn)辨率輸出(chū)。IT68051還(huán)支持(chí)視頻分(fēn)離模式，該模式通(tòng)过(guò)輸出(chū)接口(kǒu)将一(yī)个(gè)18Gb/s 4Kx2K @ 50/60Hz HDMI2.0b流分(fēn)離为(wèi)两(liǎng)个(gè)9Gb/s 2Kx2K @ 50/60Hz流。每个(gè)IT68051都預編程有(yǒu)唯一(yī)的(de)HDCP密鑰，符合HDCP标(biāo)準，從而(ér)可(kě)以(yǐ)安(ān)全(quán)傳輸高(gāo)清(qīng)內(nèi)容。IT68051的(de)用(yòng)戶无需購買(mǎi)任何HDCP密鑰或(huò)ROM。

2.2 HDMI OUT接口(kǒu)

LT2611UX是(shì)一(yī)款适用(yòng)于(yú)STB（機(jī)頂盒），DVD應(yìng)用(yòng)的(de)高(gāo)性(xìng)能(néng)LVDS至(zhì)HDMI2.0轉(zhuǎn)換器。LVDS輸入(rù)可(kě)配置为(wèi)具有(yǒu)1个(gè)高(gāo)速时(shí)鐘(zhōng)通(tòng)道(dào)和(hé)3〜4个(gè)高(gāo)速數據(jù)通(tòng)道(dào)的(de)單端口(kǒu)，双(shuāng)端口(kǒu)或(huò)四(sì)端口(kǒu)，最(zuì)大速度(dù)为(wèi)1.2Gbps/lane，可(kě)支持(chí)的(de)總(zǒng)带(dài)宽(kuān)高(gāo)达(dá)19.2Gbps。LT2611UX支持(chí)用(yòng)于(yú)2D和(hé)3D應(yìng)用(yòng)程序的(de)靈活的(de)視頻數據(jù)映射路(lù)徑。HDMI2.0輸出(chū)支持(chí)高(gāo)达(dá)6Gbps的(de)數據(jù)速率，從而(ér)为(wèi)4k @ 60Hz視頻提(tí)供足够的(de)带(dài)宽(kuān)。HDCP2.2還(huán)支持(chí)數據(jù)加密。HDMI OUT電(diàn)路(lù)图(tú)如(rú)图(tú)4所(suǒ)示。

图(tú)4 HDMI OUT電(diàn)路(lù)图(tú)

該芯片(piàn)有(yǒu)两(liǎng)个(gè)數字(zì)音(yīn)頻輸入(rù)接口(kǒu)：I2S和(hé)SPDIF。I2S接口(kǒu)支持(chí)8通(tòng)道(dào)LPCM，而(ér)SPDIF接口(kǒu)支持(chí)2通(tòng)道(dào)LPCM或(huò)壓縮音(yīn)頻，两(liǎng)者(zhě)的(de)最(zuì)大采樣(yàng)率均为(wèi)192kHz。

該器件(jiàn)具有(yǒu)自(zì)動(dòng)操作能(néng)力，这(zhè)由(yóu)集成(chéng)微处理器啟用(yòng)，該微处理器使用(yòng)嵌入(rù)式SPI閃存存儲固件(jiàn)。也(yě)可(kě)以(yǐ)通(tòng)过(guò)配置I2C從接口(kǒu)来(lái)進(jìn)行系(xì)統控制。

2.3 STM32芯片(piàn)

HDMI FMC板卡(kǎ)上(shàng)添加了(le)一(yī)片(piàn)stm32f10xrxt2芯片(piàn)，用(yòng)来(lái)配置HDMI接口(kǒu)芯片(piàn)，我(wǒ)们(men)提(tí)供配置的(de)固件(jiàn)，stm32f10xrxt2芯片(piàn)電(diàn)路(lù)图(tú)如(rú)图(tú)5所(suǒ)示。

图(tú)5 stm32f10xrxt2芯片(piàn)電(diàn)路(lù)图(tú)

2.4 電(diàn)平轉(zhuǎn)換芯片(piàn)

HDMI FMC板卡(kǎ)上(shàng)放(fàng)置了(le)5片(piàn)16通(tòng)道(dào)的(de)電(diàn)平轉(zhuǎn)換芯片(piàn)，型号(hào)为(wèi)sn74avc16t245，配合IT60851接口(kǒu)芯片(piàn)完成(chéng)适應(yìng)FPGA開(kāi)發(fà)板間(jiān)的(de)信(xìn)号(hào)電(diàn)平轉(zhuǎn)換。電(diàn)平轉(zhuǎn)換芯片(piàn)電(diàn)路(lù)原理图(tú)如(rú)图(tú)6所(suǒ)示。

图(tú)6電(diàn)平轉(zhuǎn)換芯片(piàn)電(diàn)路(lù)原理图(tú)

2.5 HPC FMC接口(kǒu)

FMC:英文(wén)全(quán)稱，FPGA Mezzanine Card。是(shì)一(yī)个(gè)應(yìng)用(yòng)範圍、适應(yìng)环(huán)境範圍和(hé)市(shì)场領域範圍都很廣的(de)通(tòng)用(yòng)模块(kuài)。FMC連(lián)接器是(shì)FMC的(de)一(yī)个(gè)重(zhòng)要(yào)組成(chéng)部(bù)分(fēn)，它(tā)連(lián)接由(yóu)FPGA提(tí)供的(de)引脚和(hé)FMC子板的(de)I/O接口(kǒu)。高(gāo)性(xìng)能(néng)引脚速度(dù)可(kě)以(yǐ)达(dá)到(dào)幾(jǐ)个(gè)Gb/s。FMC的(de)引脚分(fēn)为(wèi)電(diàn)源信(xìn)号(hào)引脚、JTAG信(xìn)号(hào)引脚、IIC信(xìn)号(hào)引脚、地(dì)址設置引脚、相應(yìng)的(de)控制檢测信(xìn)号(hào)引脚、以(yǐ)及(jí)吉比特(tè)接口(kǒu)信(xìn)号(hào)引脚(gigabit interface)和(hé)普通(tòng)用(yòng)戶信(xìn)号(hào)引脚(user defined pins)及(jí)其时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)引脚。其中(zhōng)的(de)信(xìn)号(hào)傳輸及(jí)其时(shí)鐘(zhōng)信(xìn)号(hào)引脚都是(shì)按照差分(fēn)对(duì)标(biāo)準来(lái)定(dìng)義的(de)。HPC FMC硬(yìng)件(jiàn)電(diàn)路(lù)图(tú)如(rú)7所(suǒ)示。

图(tú)7 HPC FMC硬(yìng)件(jiàn)電(diàn)路(lù)图(tú)

2.6供電(diàn)電(diàn)路(lù)

通(tòng)过(guò)FMC接口(kǒu)由(yóu)FPGA開(kāi)發(fà)板供電(diàn)，主(zhǔ)要(yào)有(yǒu)12V、3.3V 以(yǐ)及(jí)VADJ。

HDMI FMC板卡(kǎ)器件(jiàn)共(gòng)需要(yào)4種(zhǒng)電(diàn)源，分(fēn)别是(shì)5.0V，3.3V，1.2V和(hé)1.0V。其中(zhōng)5V和(hé)3.3V通(tòng)过(guò)TI公司的(de)電(diàn)源芯片(piàn)TPS562208DDCR和(hé)TPS54620産生(shēng)。電(diàn)路(lù)如(rú)图(tú)8和(hé)图(tú)9所(suǒ)示。

图(tú)8  5V電(diàn)源産生(shēng)電(diàn)路(lù)

图(tú)9  3.3V電(diàn)源産生(shēng)電(diàn)路(lù)

1.2V和(hé)1.0V主(zhǔ)要(yào)为(wèi)接口(kǒu)芯片(piàn)供電(diàn)，通(tòng)过(guò)TI公司的(de)TLV62065DSGR産生(shēng)。電(diàn)路(lù)如(rú)图(tú)10和(hé)图(tú)11所(suǒ)示。

图(tú)10  1.2V電(diàn)源産生(shēng)電(diàn)路(lù)

图(tú)11  1.0V電(diàn)源産生(shēng)電(diàn)路(lù)

3  總(zǒng)結

深圳明(míng)德揚科技教育有(yǒu)限公司研發(fà)了(le)一(yī)款低成(chéng)本(běn)的(de)4K_HDMI FMC板卡(kǎ)，該HDMI FMC板卡(kǎ)擴展(zhǎn)了(le)一(yī)路(lù)HDMI輸出(chū)接口(kǒu)和(hé)一(yī)路(lù)HDMI輸入(rù)接口(kǒu)，非(fēi)常方(fāng)便用(yòng)戶進(jìn)行二(èr)次(cì)開(kāi)發(fà)。