基于MHL接口的超高分辨率显示系统的研究

摘 要

4K×2K超高分辨率显示技术近年来已成为新型显示发展的主流技术，但其功能较为单一，开发具有互联互控的MHL接口超高分辩率显示器并将其实现其产业化具有重要意义。本项目研究超高清显示技术和系统，实现超高清图像显示；研究超高清显示面板信号接口和亮度控制接口对主板要求，实现主板对面板的准确和良好驱动；研究互联互控MHL接口技术，实现信号的数字化分解和集成。项目最终实现移动设备与具有MHL接口超高分辨率显示器互联互控。

【关键词】4K×2K MHL接口 互联互控

显示设备作为系统的终端，其兼容的设备在不断的丰富之中。早期的CRT 显示器只有模拟VGA 接口。液晶显示器则有多种接口，包括数字接口DVI， Display port， HDMI接口等。HDMI作为数字影音接口，能够同时传输数字和音频信号。但在当今消费类电子越来越普及的时代， HDMI接口的不足逐渐突出，如接口的数据线较多，在接驳设备时，无法为使用设备充电。如何提升数据处理能力，便于与其他数字设备如数码相机，手机，数码摄像机等兼容，成为显示技术拓展的重要一环。Mobile High-Definition Link（MHL）移动终端高清影音标准接口，是一种连接便携式消费电子装置的影音标准接口，MHL 仅使用一条信号电缆，通过标准 HDMI 输入接口即可呈现于高清显示器上。

1 国内外市场状况

我们所说的超高分辨率也就是现在常说的4K×2K分辨率，该技术最早出现在平板电视产品中，并且现在也有大量厂牌推出了4K平板电视，LG于2012年推出了全球首台84寸超大、超高清屏幕、享受4倍于全高清画质的硬屏4K电视，以超高清硬屏电视为例，超高清硬屏（UHD）的物理分辨率达到3840×2160，是全高清（FHD）的4倍。影像表现清晰、细腻，色彩真实。其堪比色彩专家的调色能力能够真实呈现任何影像，其被广泛应用于电视台等专业领域。

而在显示器市场，UHD正处于萌芽阶段，市场中的相关产品数量非常有限。该类产品的最大特点就是分辨率超高，我们熟悉的1080p高清分辨率为1920×1080，而UHD 4K的分辨率达到了4096×2160或者3840×2160，显示内容提升到4倍。

2 研究内容

实现超高分辨率显示器与其它移动设备互联互控是显示屏应用的目标之一，MHL接口通信协议和标准化很大程度将会决定着超高分辨显示终端的总体性能和应用。

为此，本文在现有的MHL接口技术的基础，研究和制定一套低速率CBUS总线的单线通信协议，分析和研究MHL接口信号的完整性，并在自动侦测连接设备状态、读取其设备信息和对终端进行智能充电进行研究；此外，以可靠性、低延时性、低误差率为设计目标的触摸控制软件算法进行研究。

3 技术路线

系统框架见图1。如图1所示，硬件设计大概有几个功能模块：

（1）信号处理单元U105：集成2*2矩阵的缩放处理芯片，应用于超高清显示系统。

（2）超高清显示面板U107：采用具有超高清显示能力3840×2160的面板，以实现超高清信号的显示。

（3）信号处理接口U106：采用具有兼容MHL信号的接口，以输入外部移动设备的信号。

（4）电源转换器：采用开关电源，以适应全球宽电源和具有较高转化效率。

（5）数据缓存：采用高速DDR3 DRAM，以快速存取数据。

（6）程序存储器：采用NOR flash，容量大，速度快。

（7）电压管理：采用开关式降压回路，具有较高效率，降低整体功耗。

3.1 信号完整性

MHL接口技术通过一对差分TMDS信号传输高清影音信号，它将标准的HDMI信号中的三对TMDS数据做三倍速度的调制并加载在一对差分对上（MHL+/MHL-），使其实现了一对差分线上达到2.25Gbps的传输速度。因为总线最大带宽为传统HDMI信号带宽的三倍，在整个信号传输系统的信号完整性设计上面临一定的挑战，为解决此项问题，拟通过建立MHL信号传输模型，通过IBIS模型进行仿真分析，在设计初期先期确定PCB layout设计模板，降低系统设计风险性。

通过近似计算来初步确定FR4材质的差分阻抗，PCB传输线模型示意图如图2所示。配合眼图分析等试验手段，加快分析速度，降低设计成本，以形成在可接受的成本范围内解决方案。

3.2 通信协议

当前MHL标准文档所提供的CBUS总线只提供最高500Hz的通讯速度，此项规格是HDMI设计规范的延续，只考虑了传输遥控器命令字的需求，但如果直接应用于传输触摸控制中产生的坐标信息，多点控制信息等，带宽将严重不足，或者导致响应速度变慢、用户操作信息丢失等各种问题，严重影响用户的使用体验。为此，本项目拟采用如图3所示的系统模块提高系统性能。

最简单的解决方案是提高CBUS的通信速度，但基于目前的硬件架构，mhl接口只提供了一条电缆用于控制信号的传输；而且若单纯提高互联互控显示终端部分CBUS的速率，则在显示终端部分一些已经量产的基于现有MHL标准所生产的智能手机等将无法应用此项技术，这导致整体系统不具备向下兼容性。

因此，拟定设计互联互控显示终端的CBUS具备自适应速率设定功能。通过识别接入的显示终端的硬件版本自动调整CBUS速度。并且，Touch模组所侦测到的有效触摸点数量、各触摸点相应坐标信息先行发送至CPU，CPU进行实时解算并进行编码压缩，再通过CBUS传递到移动终端；移动终端中只需要安装相应的底层驱动，即可实时解算相关触摸点数量、坐标信息，并执行相应操作。

4 结论

随着社会经济的发展，4K×2K产品将占据越来越大的市场份额，将有很好市场运用前景，具有互联互控的MHL接口超高分辩率显示器并将其实现其产业化具有重要意义。

参考文献

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[2]韩霜.MHL：用无损品质迎接高清时代[J]. 世界电子元器件，2013（04）：59-59.

[3]李凯. MHL简介及信号测试方法（一）[J]. 国外电子测量技术，2012，31（4）：7-10.

作者单位

福州大学物理与信息工程学院 福建省福州市 350000