從LCD轉(zhuǎn)HDMI高清顯示異?？葱盘?hào)完整性

Sitara™ AM335x ARM® Cortex™-A8 微處理器是德州儀器 (TI) 推出的目前最便宜的工業(yè)處理器系統(tǒng)，高度集成的片上系統(tǒng)使得我們可輕易地對(duì)以往基于 ARM9™ 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行升級(jí)，在保持設(shè)計(jì)低成本與低功耗的同時(shí)，為更穩(wěn)健的產(chǎn)品添加 3D 互動(dòng)觸摸屏、更高分辨率的顯示屏、更快的速度性能以及多個(gè)高靈活集成連接選項(xiàng)，集成更多的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)和控制系統(tǒng)。

從11年開(kāi)始算起英蓓特已經(jīng)在AM335x這個(gè)平臺(tái)耕耘了5年之久，積累了豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。本案例中的客戶(hù)為國(guó)外一學(xué)?？蛻?hù)，客戶(hù)開(kāi)始了計(jì)算機(jī)課程，ARM作為精簡(jiǎn)指令集處理器的代表進(jìn)入客戶(hù)的課程。因此客戶(hù)找到我們合作，基于AM3358 CPU設(shè)計(jì)一款超便攜式主機(jī)平臺(tái)，客戶(hù)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，采用MicroHDMI輸出，方便學(xué)生在家進(jìn)行學(xué)習(xí)，以下以POCKET3358代替。

在實(shí)際操作過(guò)程中，有個(gè)別學(xué)生反饋?zhàn)约旱腜OCKET3358在自家的顯示器是黑屏或者閃屏無(wú)法正常使用，跟同學(xué)換機(jī)或者帶到學(xué)校卻可以正常使用。校方跟我們反饋了這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)象比較怪異，不像是品質(zhì)有問(wèn)題，因此我們聯(lián)系校方收集問(wèn)題產(chǎn)品，返回來(lái)給我們進(jìn)行分析。

收到問(wèn)題產(chǎn)品后經(jīng)過(guò)測(cè)試，大部分情況下并沒(méi)有什么問(wèn)題，但在一臺(tái)雜牌的顯示器上，運(yùn)行測(cè)試客戶(hù)開(kāi)發(fā)的軟件發(fā)現(xiàn)有閃屏的現(xiàn)象，發(fā)生此現(xiàn)象的POCKET3358在另一臺(tái)品牌電視機(jī)上可以正常顯示，說(shuō)明此問(wèn)題還是存在的。

在一臺(tái)飛利浦的顯示器上，發(fā)現(xiàn)也有顯示異常，但不是閃屏或者黑屏，具體表現(xiàn)為正常顯示的成品顯示效果邊沿銳利，而出現(xiàn)故障的成品顯示邊沿有毛刺。

正常情況下，顯示效果應(yīng)該如下：

而顯示異常的成品，顯示效果有如下毛刺存在：

遇到這樣的現(xiàn)象，首先懷疑線(xiàn)材的原因，因此更換不同品牌不同品質(zhì)的線(xiàn)材進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)即使高品質(zhì)的線(xiàn)材，故障也是依舊，并沒(méi)有改善或者消失。

因?yàn)橛械臉悠吩跍y(cè)試的雜牌顯示器上面會(huì)直接黑屏，此時(shí)顯示器并不會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此懷疑是否此時(shí)沒(méi)有信號(hào)輸出或者輸出的信息質(zhì)量太差，導(dǎo)致顯示器無(wú)法正常識(shí)別內(nèi)容。此時(shí)將一個(gè)micrHDMI轉(zhuǎn)接頭去除塑膠保護(hù)，露出線(xiàn)路及引腳，方便測(cè)試。做成如下圖所示的測(cè)試工具。

使用一臺(tái)高帶寬的示波器對(duì)HDMI各個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)上的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并且因?yàn)镠DMI標(biāo)準(zhǔn)上傳輸視頻和音頻數(shù)據(jù)采用的是差分傳輸方式，所以使用示波器自帶的數(shù)學(xué)計(jì)算功能對(duì)HDMI各個(gè)通道的正負(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行“-”運(yùn)算之后得出HDMI的各個(gè)通道的波形。發(fā)現(xiàn)HDMI各個(gè)通道上都有數(shù)據(jù)傳輸，并且波形的質(zhì)量并不比正常顯示的板子波形質(zhì)量差。

在某雜牌電視上出現(xiàn)閃屏問(wèn)題的POCKET3358進(jìn)行測(cè)量得到如下波形：

出現(xiàn)閃屏的POCKET3358 HDMI CLK信號(hào)

出現(xiàn)閃屏的POCKET3358 HDMI TX2信號(hào)

對(duì)顯示正常的POCKET3358進(jìn)行波形抓取后得到如下數(shù)據(jù)：

顯示正常的POCKET3358 HDMI LCK信號(hào)

顯示正常的POCKET3358 HDMI TX2信號(hào)

從以上的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在某雜牌電視上出現(xiàn)黑屏的樣品，在顯示器沒(méi)有顯示內(nèi)容時(shí)，其實(shí)HDMI正在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，時(shí)鐘CLK的波形并沒(méi)有顯示正常的樣品時(shí)鐘CLK的波形好，可能是由于座子接觸問(wèn)題產(chǎn)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生了畸變，或者由于芯片硬件本身存在不一致性導(dǎo)致了這樣的區(qū)別，于是通過(guò)更換 microHDMI Connector和與顯示正常的板子進(jìn)行芯片對(duì)調(diào)的方式進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)多次試驗(yàn)，證明根本原因并不在microHDMI Connector和芯片上。

此時(shí)似乎已經(jīng)走到了死胡同里了，問(wèn)題看起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜。所以決定先把顯示有關(guān)的硬件和軟件進(jìn)行仔細(xì)排查。首先先把使用示波LCD各個(gè)Bit的數(shù)據(jù)測(cè)量出來(lái)，看看是否有時(shí)序錯(cuò)誤或者其他硬件上的原因?qū)е铝诉@個(gè)問(wèn)題。

在用示波器探頭量取POCKET3358上LCD輸出時(shí)鐘LCD_PCLK的波形時(shí)，當(dāng)示波器探頭接觸測(cè)量點(diǎn)的時(shí)候(R45)，閃屏故障消失，畫(huà)面顯示正常。而把示波器探頭拿開(kāi)時(shí)，故障重現(xiàn)。因此可以斷定示波器探頭接觸時(shí)引入某種變量把故障消除。仔細(xì)查看示波器的探頭參數(shù)，發(fā)現(xiàn)所使用的示波器探頭有 3.9pF的等效電容，因此可以認(rèn)為在測(cè)量信號(hào)是在LCD_PCLK上并聯(lián)一個(gè)3.9pF的電容之后，不再出現(xiàn)某雜牌電視閃屏問(wèn)題。由于測(cè)量過(guò)程無(wú)法消除示波器探頭的電容效應(yīng)，因此只能抓取被示波器探頭修正后的波形，其波形如下：

出現(xiàn)閃屏的POCKET3358 LCD_PCLK信號(hào)

測(cè)量顯示正常的POCKET3358的LCD_PCLK，可以得到如下波形：

正常顯示的POCKET3358 LCD_PCLK信號(hào)

對(duì)比出現(xiàn)閃屏和顯示正常的POCKET3358樣品測(cè)量出來(lái)的波形，可以看到正常顯示的波形上升沿更陡，高電平保持的時(shí)間更長(zhǎng);而出現(xiàn)閃屏的樣品，上升沿更緩，但是高電平保持時(shí)間卻更短，結(jié)合上面提到示波器探頭的等效電容，可以推論出現(xiàn)閃屏的原因是因?yàn)樽杩蛊ヅ涞脑颍瑢?dǎo)致LCD_PCLK的波形發(fā)生了稍微變化，高電平保持時(shí)間不足，導(dǎo)致LCD轉(zhuǎn)HDMI芯片(TDA19988)工作時(shí)數(shù)據(jù)采集時(shí)間不夠，無(wú)法獲得有效的數(shù)據(jù)。從而導(dǎo)致了閃屏問(wèn)題的出現(xiàn)。

現(xiàn)在可以得出解決辦法有在LCD_PCLK上并一個(gè)皮法級(jí)電容到地和更改LCD_PCLK上的阻抗匹配電阻兩種解決方式。因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)上并沒(méi)有預(yù)留電容位，所以在LCD_PCLK上并電容的方法并不可行。所以將LCD_PCLK的串阻從22R改為33R，此方式驗(yàn)證可以解決POCKET3358在某雜牌電視上出現(xiàn)閃屏問(wèn)題，更改串阻后LCD_PCLK的波形如下：

將匹配電阻R45更換成33R后LCD_PCLK的波形

更改匹配電阻后，故障消失，證明更匹配電阻的值可以解決顯示異常的問(wèn)題。

作為驗(yàn)證，在LCD_PCLK上并聯(lián)一個(gè)小電容，此辦法也經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)操作證明也可以解決顯示黑屏的問(wèn)題，在LCD_PCLK上并聯(lián)一個(gè)3.3pF的小電容后波形如下：

在LCD_PCLK上并聯(lián)一個(gè)3.3pF電容后LCD_PCLK的波形

驗(yàn)證了硬件的解決方法，接下來(lái)就是軟件的問(wèn)題了。通過(guò)分析芯片的規(guī)格書(shū)，發(fā)現(xiàn)如在不方便進(jìn)行硬件改動(dòng)的情況下，也可以通過(guò)調(diào)整芯片的寄存器來(lái)改變芯片的驅(qū)動(dòng)能力從而達(dá)到正常顯示效果的目的。因?yàn)樯婕暗娇蛻?hù)軟件著作權(quán)和保密需求等原因，如需了解此故障涉及的相關(guān)軟件信息，請(qǐng)與英蓓特取得聯(lián)系，技術(shù)支持郵箱為：support@embest-tech.com或者chinasales@embest-tech.com。

有句話(huà)是這么說(shuō)的：世界上只有兩類(lèi)工程師，一類(lèi)是已經(jīng)遇到信號(hào)完整性的工程師，一類(lèi)是即將遇到信號(hào)完整性的工程師。現(xiàn)如今，芯片廠(chǎng)商在設(shè)計(jì)及出廠(chǎng)時(shí)都已經(jīng)考慮到器件的信號(hào)完整性問(wèn)題，所以器件都已經(jīng)對(duì)信號(hào)完整性有足夠的容忍度，這使得我們比想象中更少遇到信號(hào)完整性問(wèn)題。也正因?yàn)槿绱?，使得設(shè)計(jì)工程師往往忽略了設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性問(wèn)題，等到遇到問(wèn)題時(shí)無(wú)從下手。

從本例中可以看到，信號(hào)完整性問(wèn)題并不可怕，但我們?cè)谠O(shè)計(jì)中必須給予足夠的重視，包括軟件和硬件，才能保證自己的實(shí)際長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)出來(lái)一個(gè)合格的產(chǎn)品，對(duì)客戶(hù)負(fù)責(zé)、對(duì)公司負(fù)責(zé)。