應用於微顯示晶片的MIPI DSI驅動接口設計

　　尹 遠，黃嵩人（湘潭大學 物理與光電工程學院，湖南 湘潭 411105）

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201909/405215.htm

　　摘 要：針對傳統顯示接口難以滿足其高速率傳輸、低功耗、抗幹擾、兼容性高等要求的問題，提出了一種基於MIPI DSI協議，並應用於高解析度微顯示晶片的顯示驅動接口的設計。

　　關鍵詞：微顯示；MIPI協議；顯示驅動接口

　　0 引言

　　微顯示晶片是一種特殊形態的顯示器，其物理尺寸小、功耗較低、解析度高，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，常用於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，微顯示晶片應用的電子產品越來越多，顯示的解析度不斷增強，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，設計了一種適用於高解析度微顯示晶片的MIPI DSI顯示驅動接口 ^[2] 。

　　1 MIPI DSI協議介紹

　　MIPI DSI是MIPI（Mobile Industry ProcessorInterface，移動業處理器接口）聯盟為了對行動裝置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，可實現高解析度顯示，而且有功耗低、抗幹擾強的特點 ^[4] 。

　　圖1所示是一個簡化的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，並可以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。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後，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於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，採用高速DDR時鐘，速率可達到1 Gbps。

　　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，是由標識符DI、data0、data1、ECC（錯誤校驗碼）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，長包的總長度範圍為6~65 541位元組 ^[6] 。

　　2 DSI接口工作原理

　　本文的設計目標是實現基於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4種狀態：LP-00、LP-01、LP-10、LP-11 [8] 。根據總線上檢測到不同的電平序列後，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。在空閒的時間段，通道處於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，即高速請求序列之後,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後，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→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00，進入Escape模式。之後等待主機發送8bit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→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00，之後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，發送完畢後從機會發送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LP-00→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並行數據，並傳輸給通道管理層 ^[3] 。將TA模式的返回數據進行並串轉化，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，並整合起來。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，並對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解碼，分別可以進入視頻模式和命令模式，最後轉換成顯示端能識別的DBI格式或DPI格式。進入視頻模式後，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，然後進行顯示。當進入命令模式，將低功耗接收的數據包解碼，之後轉成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，然後將其編碼轉為DSI接口數據，最後通過lane0發送給主機。

　　另外還有I ² C配置模塊，用於對各模塊進行參數配置，確保設計的成功實現，也可方便驗證和晶片調試，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，接收數據後進行編解碼，最終將相應的數據和命令輸出，通過觀察驗證埠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

　　運行仿真後得到如圖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並行數據，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

　　在晶片流片前需要進行FPGA原型驗證，將ASIC代碼移植到FPGA上，進行硬體上的驗證，這樣更接近晶片實際情況，本質上模擬晶片的實際性能和應用，通過FPGA快速實現硬體模塊，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，所以也是晶片設計中的重要流程。如圖9為FPGA原型驗證的平臺，由MIPI主機、轉接板、連接線、FPGA開發板等組成，驗證通過後進行流片。

　　5 結論

　　本文介紹了一種基於MIPI協議，且應用於高解析度微顯示驅動的接口設計，該接口設計採用了4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，之後著重講述了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，最後介紹了仿真和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，並經過反覆的仿真和驗證，達到了設計要求，已完成流片。

　　參考文獻

　　[1]季淵.超還原矽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.應用於LCOS顯示晶片的MIPI DSI驅動接口IP設計[J].科技傳播,2016,8(03):78-79.

　　[3]譚振平.基於MIPI協議的顯示驅動接口設計[D].湘潭：湘潭大學,2016.

　　[4]溫浪明.基於MIPI-DSI協議的LCD驅動接口設計[D].廣州：華南理工大學,2011.

　　[5]鄭傑.一種適用於全高清顯示的MIPI DSI接口設計[D].成都：電子科技大學,2015.

　　[6]MIPI Alliance Specification for Display Serial Interface version1.01.00[S].MIPI Alliance,2008.

　　[7]MIPI Alliance Specification for D-PHY version 1.2[S].MIPIAlliance,2014.

　　[8]蘇曉峰.基於MIPI規範的LCD驅動接口設計[D].廣州：華南理工大學,2011.

　　作者簡介

　　尹遠（1993—），碩士，主要研究方向：數字集成電路設計。

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第10期第50頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。