從LCD轉(zhuǎn)HDMI高清顯示異常看信號完整性

　　 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以往基于 ARM9? 的產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行升級，在保持設(shè)計低成本與低功耗的同時，為更穩(wěn)健的產(chǎn)品添加 3D 互動觸摸屏、更高分辨率的顯示屏、更快的速度性能以及多個高靈活集成連接選項，集成更多的工業(yè)現(xiàn)場總線和控制系統(tǒng)。

　　從11年開始算起英蓓特已經(jīng)在AM335x這個平臺耕耘了5年之久，積累了豐富的設(shè)計經(jīng)驗。本案例中的客戶為國外一學(xué)校客戶，客戶開始了計算機課程，ARM作為精簡指令集處理器的代表進(jìn)入客戶的課程。因此客戶找到我們合作，基于AM3358 CPU設(shè)計一款超便攜式主機平臺，客戶設(shè)計軟件系統(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。

　　在實際操作過程中，有個別學(xué)生反饋自己的POCKET3358在自家的顯示器是黑屏或者閃屏無法正常使用，跟同學(xué)換機或者帶到學(xué)校卻可以正常使用。校方跟我們反饋了這個問題，因為現(xiàn)象比較怪異，不像是品質(zhì)有問題，因此我們聯(lián)系校方收集問題產(chǎn)品，返回來給我們進(jìn)行分析。

　　收到問題產(chǎn)品后經(jīng)過測試，大部分情況下并沒有什么問題，但在一臺雜牌的顯示器上，運行測試客戶開發(fā)的軟件發(fā)現(xiàn)有閃屏的現(xiàn)象，發(fā)生此現(xiàn)象的POCKET3358在另一臺品牌電視機上可以正常顯示，說明此問題還是存在的。

　　在一臺飛利浦的顯示器上，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，首先懷疑線材的原因，因此更換不同品牌不同品質(zhì)的線材進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)即使高品質(zhì)的線材，故障也是依舊，并沒有改善或者消失。

　　因為有的樣品在測試的雜牌顯示器上面會直接黑屏，此時顯示器并不會進(jìn)入休眠狀態(tài)。因此懷疑是否此時沒有信號輸出或者輸出的信息質(zhì)量太差，導(dǎo)致顯示器無法正常識別內(nèi)容。此時將一個micrHDMI轉(zhuǎn)接頭去除塑膠保護(hù)，露出線路及引腳，方便測試。做成如下圖所示的測試工具。

　　使用一臺高帶寬的示波器對HDMI各個數(shù)據(jù)線上的信號進(jìn)行測量，并且因為HDMI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)計算功能對HDMI各個通道的正負(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行“-”運算之后得出HDMI的各個通道的波形。發(fā)現(xiàn)HDMI各個通道上都有數(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)閃屏問題的POCKET3358進(jìn)行測量得到如下波形：

出現(xiàn)閃屏的POCKET3358 HDMI CLK信號

出現(xiàn)閃屏的POCKET3358 HDMI TX2信號

　　對顯示正常的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

顯示正常的POCKET3358 HDMI TX2信號

　　從以上的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)在某雜牌電視上出現(xiàn)黑屏的樣品，在顯示器沒有顯示內(nèi)容時，其實HDMI正在進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，時鐘CLK的波形并沒有顯示正常的樣品時鐘CLK的波形好，可能是由于座子接觸問題產(chǎn)導(dǎo)致信號產(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，于是通過更換microHDMI Connector和與顯示正常的板子進(jìn)行芯片對調(diào)的方式進(jìn)行驗證，通過多次試驗，證明根本原因并不在microHDMI Connector和芯片上。

　　此時似乎已經(jīng)走到了死胡同里了，問題看起來有點復(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Bit的數(shù)據(jù)測量出來，看看是否有時序錯誤或者其他硬件上的原因?qū)е铝诉@個問題。

　　在用示波器探頭量取POCKET3358上LCD輸出時鐘LCD_PCLK的波形時，當(dāng)示波器探頭接觸測量點的時候（R45），閃屏故障消失，畫面顯示正常。而把示波器探頭拿開時，故障重現(xiàn)。因此可以斷定示波器探頭接觸時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)為在測量信號是在LCD_PCLK上并聯(lián)一個3.9pF的電容之后，不再出現(xiàn)某雜牌電視閃屏問題。由于測量過程無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

　　測量顯示正常的POCKET3358的LCD_PCLK，可以得到如下波形：

正常顯示的POCKET3358 LCD_PCLK信號

　　對比出現(xiàn)閃屏和顯示正常的POCKET3358樣品測量出來的波形，可以看到正常顯示的波形上升沿更陡，高電平保持的時間更長；而出現(xiàn)閃屏的樣品，上升沿更緩，但是高電平保持時間卻更短，結(jié)合上面提到示波器探頭的等效電容，可以推論出現(xiàn)閃屏的原因是因為阻抗匹配的原因，導(dǎo)致LCD_PCLK的波形發(fā)生了稍微變化，高電平保持時間不足，導(dǎo)致LCD轉(zhuǎn)HDMI芯片（TDA19988）工作時數(shù)據(jù)采集時間不夠，無法獲得有效的數(shù)據(jù)。從而導(dǎo)致了閃屏問題的出現(xiàn)。

　　現(xiàn)在可以得出解決辦法有在LCD_PCLK上并一個皮法級電容到地和更改LCD_PCLK上的阻抗匹配電阻兩種解決方式。因為電路設(shè)計上并沒有預(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，此方式驗證可以解決POCKET3358在某雜牌電視上出現(xiàn)閃屏問題，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題。

　　作為驗證，在LCD_PCLK上并聯(lián)一個小電容，此辦法也經(jīng)過實驗操作證明也可以解決顯示黑屏的問題，在LCD_PCLK上并聯(lián)一個3.3pF的小電容后波形如下：

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

　　驗證了硬件的解決方法，接下來就是軟件的問題了。通過分析芯片的規(guī)格書，發(fā)現(xiàn)如在不方便進(jìn)行硬件改動的情況下，也可以通過調(diào)整芯片的寄存器來改變芯片的驅(qū)動能力從而達(dá)到正常顯示效果的目的。因為涉及到客戶軟件著作權(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，請與英蓓特取得聯(lián)系，技術(shù)支持郵箱為：support@embest-tech.com或者chinas[email protected]。

　　有句話是這么說的：世界上只有兩類工程師，一類是已經(jīng)遇到信號完整性的工程師，一類是即將遇到信號完整性的工程師。現(xiàn)如今，芯片廠商在設(shè)計及出廠時都已經(jīng)考慮到器件的信號完整性問題，所以器件都已經(jīng)對信號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完整性問題。也正因為如此，使得設(shè)計工程師往往忽略了設(shè)計中的信號完整性問題，等到遇到問題時無從下手。

　　從本例中可以看到，信號完整性問題并不可怕，但我們在設(shè)計中必須給予足夠的重視，包括軟件和硬件，才能保證自己的實際長時間穩(wěn)定運行，設(shè)計出來一個合格的產(chǎn)品，對客戶負(fù)責(zé)、對公司負(fù)責(zé)。