利用CME-M5实现1080P高清字符叠加的设计要点分析

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随着信息化技术的提高，人们对于视觉欣赏的要求越来越高。“视觉冲击力”成为人们评判显示性能的一个标准。视觉冲击力不仅要求画面尺寸超大，最主要的还要要求画面显示清晰，包括图片与文字。为了满足这种诉求，本文以京微雅格CME-M5（金山）为例，为您分析如何在HDMI高清信号中叠加字符，并且最终实现高清输出的过程。
           
          如下图所示，不难看出， 就是把一路HDMI高清信号通过HDMI转RGB芯片送到CME-M5后，与外部的字符芯片进行高清叠加后，再通过RGB转HDMI送出来。
           

       

         

          抛开其它的功能，从最最简单By-Pass开始验证， 就是说， 150MHz的24bit RGB进，不作任何处理，直接把150MHz的24 bit RGB送出，如果By-Pass都搞不定，其它功能再调试也是枉然。By-Pass的关键代码如下：
           

       

         

          以列灰阶的验证，是最容易看出问题的。简单补充一下，什么叫灰阶？
           

       

       

         

          灰阶代表了由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别。这中间层级越多，所能够呈现的画面效果也就越细腻。以8bit panel为例，能表现2的8次方，等于256个亮度层次，我们就称之为256灰阶。
         
        对应于数字逻辑来说， 就是R/G/B从0~255渐变的过程，分成256等份，递增为1, 叫256灰阶;分成8等份，递增值为32，叫8灰阶。
        假设计是256级的黑白灰屏， R-G-B三色同时由FF变为00，即24根数据线同时电平翻转，这对FPGA芯片的供电、速度要求是最高的， 所以专用测试验证来看，灰阶基本上可以验证视频传输的质量是否稳定可靠， 其它的拿图片混过关的实际上都不算数的。
           
          那好吧， 我们就以256灰阶作为参考图例验证。
           
          按照一般CPLD EPM240的设计， 直通的效果是完美，不用怀疑，已经过广泛的使用。正常的效果如下，没亮线，没噪点。
           

       

         

          而在通过M5-ByPass的显示效果如下所示（几张示例图片），几种颜色的灰阶都出现亮线。
           

       

         

          根据以上可得， 像CPLD那种By-Pass的方式是行不通的。 引起灰阶亮线问题，一般有两个：
        （1）一个是驱动电流不足;
        （2）另一个是IO或时钟速度跟不上，数据没有对齐;
           
          先从第一个解决方案着手，在primace7.2下把默认的HS,VS输出4mA(default)改为8mA，对翻转速度比较快的PCLK改为16mA。而输入全部加拉弱上拉，改了以后仅对黄色灰阶有改善（看不出亮线），其它的并没有改进行。
           

       

         

          进行第二个方案，解决数据对齐的问题。 加入FastIO设置，效果也没有明显示的改善。
           

       

         

          最终考虑，还是用同步时钟把RGB-HS-VS打一拍同步进来试试看， 代码也非常简单，如下所示。
           

       

         

          出来的效果是让人满意的。之前的所有彩色灰阶，显示正常，如下所示。
           

       

         

          准备收工举杯庆祝的时候，发现最后一关仍然没过，那就是该死的256黑白灰阶，还剩下一条亮线了，按照一般应用，都是图片叠加文字，是能混过去的。因为到了这一步好像没什么可以调整了，设计太简单了，也曾想过，那就这样吧，M5的性能也就只能到这里。
           

       

         

          亮线的问题除了跟数据有关，也跟时钟有关，PCLK的电流设置到16mA，带来增加驱动能力的好处，同时也会增大电平翻转的过冲。如下图所示，绿色的方波是我们想要的最佳波形，红色波形却是实际的情况，拿张M5的电路，示波器测试一下即可验证。
           

       

         

          如果能把过冲收拾掉同时能保持16mA的电流，这个信号就是完美的。我们希望是这样，现在还剩下一个看似不重要的参数仍然可以调整，叫做Slew-Rate。看上去都是默认最快的Fastest(default)，都已经最快，还是什么可调节呢，我们不是要求最快的吗？
           

       

        由于英文不太好，百度搜索了一下Slew-Rate的意思。
         
        slew rate 就是电压转换速率（Slew Rate），简写为SR，简称压摆率。其定义是在1微秒或者1纳秒等时间里电压升高的幅度，直观上讲就是方波电压由波谷升到波峰所需时间。
        如下图所示。
           

       

         

          也就是说slew-rate是能够影响PCLK方波输出的爬升的时间，slew-rate越快，翻转速度越快，过冲越大，反之爬升的时间越慢，过冲就越少。这跟运算放大器通过调节电容控制转换时间是一致的，slew-rate的调节跟调整电容器是类似的，有电容就有可能吃掉过冲干扰。
           
          分析完毕，在primace的软件设置如下。
           

       

         

          运行结果比想象中的要好，如下所示， 灰阶的亮线也是不见了，非常干净。可以收工，往下一步走了。
           

       

       

         

          对于应用来看， Fastest的Slew-Rate未必如其名，速度是最快的，它可以导致其它问题的产生，适当微调各类参数，有时也会有意想不到的好结果。 当然也证明了CME-M5的IO是有能力实现150MHz的高清视频传输。
           
          此文仅作抛砖引玉，实际问题还得实际分析，如果能对大家有一定借鉴，那将是莫大的荣幸。

李小路

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