從LCD轉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™ 的產品設計進行升級，在保持設計低成本與低功耗的同時，為更穩(wěn)健的產品添加 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在AM335x這個平臺耕耘了5年之久，積累了豐富的設計經驗。本案例中的客戶為國外一學?？蛻?，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入客戶的課程。因此客戶找到我們合作，基于AM3358 CPU設計一款超便攜式主機平臺，客戶設計軟件系統(tǒng)，采用MicroHDMI輸出，方便學生在家進行學習，以下以POCKET3358代替。

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

收到問題產品后經過測試，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的線材進行測試，發(fā)現(xiàn)即使高品質的線材，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量太差，導致顯示器無法正常識別內容。此時將一個micrHDMI轉接頭去除塑膠保護，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)線上的信號進行測量，并且因為HDMI標準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)學計算功能對HDMI各個通道的正負數(shù)據(jù)進行“-”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，并且波形的質量并不比正常顯示的板子波形質量差。

在某雜牌電視上出現(xiàn)閃屏問題的POCKET3358進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容時，其實HDMI正在進行數(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導致信號產生了畸變，或者由于芯片硬件本身存在不一致性導致了這樣的區(qū)別，于是通過更換 microHDMI Connector和與顯示正常的板子進行芯片對調的方式進行驗證，通過多次試驗，證明根本原因并不在microHDMI Connector和芯片上。

此時似乎已經走到了死胡同里了，問題看起來有點復雜。所以決定先把顯示有關的硬件和軟件進行仔細排查。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導致了這個問題。

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，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，導致LCD_PCLK的波形發(fā)生了稍微變化，高電平保持時間不足，導致LCD轉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。因為電路設計上并沒有預留電容位，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)如在不方便進行硬件改動的情況下，也可以通過調整芯片的寄存器來改變芯片的驅動能力從而達到正常顯示效果的目的。因為涉及到客戶軟件著作權和保密需求等原因，如需了解此故障涉及的相關軟件信息，請與英蓓特取得聯(lián)系，技術支持郵箱為：support@embest-tech.com或者chinasales@embest-tech.com。

有句話是這么說的：世界上只有兩類工程師，一類是已經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，芯片廠商在設計及出廠時都已經考慮到器件的信號完整性問題，所以器件都已經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，使得設計工程師往往忽略了設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，設計出來一個合格的產品，對客戶負責、對公司負責。