应用于LCOS显示芯片的MIPI DSI驱动接口IP设计

谭振平++黄嵩人

摘要 硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）微显示，它结合了液晶显示与CMOS集成电路两者各自优点，广泛应用于各种便携式移动电子设备中，是一种极具发展前途的新型平板显示技术。传统显示驱动接口在低功耗、低EMI、高传输速率方面难以满足当前便携式移动电子设备的要求，针对上述问题，设计了一种基于MIPI协议并且适用于LCOS显示芯片的视频显示接口。

关键词 LCOS；MIPI协议：显示接口

中图分类号04

文献标识码A

文章编号1674-6708（2016）156-0078-02

MIPI-DSI接口以MIPI D-PHY协议定义的物理传输层为基础，DPHY定义的物理传输层最多可支持4个数据通道，1个时钟通道，每个通道在低功耗模式时以1.2V的低速信号传输，在高速模式时则采用摆幅为200毫伏的低压差分信号传输，从而相对于现有的设备表现出更高性能、更低功耗、更低EMI和更少的引脚。LCOS显示芯片是一种硅基液晶微显示技术，常用与便携式移动电子设备中，如可穿戴式设备，要求具有很低的功耗，又要具有较高的显示分辨率。因此笔者设计了一种适用于LCOS显示芯片的MIPI DSI显示驱动接口，支持的分辨率为1280*720，帧率60Hz。

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DSI驱动接口工作原理与电路构架

本文设计的MIPI-DSI接口具有一个时钟通道和两个数据通道，时钟通道支持高速DDR时钟的接收与恢复，支持超低功耗状态（ULPS）；数据通道0支持高速数据接收和低功耗模式下的双向传输，支持总线竞争检测；数据通道1住处高速数据接收及超低功耗模式；单通道数据传输速率高达800Mbits/s，低功耗模式下数据传输速率8～IOMbits/s。

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DSI接口工作原理

基于MIPI-DSI协议的显示驱动接口，具备视频模式和低功耗模式两种工作状态。在视频模式下，接收主机高速发送过来的图像数据。并转换成DPI并口格式输出到LCOS驱动模块。在命令模式下，接收主机发送过来的命令和数据，并转换成DBI总线格式输出到LCOS驱动模块。或者读取LCOS驱动模块的状态信息和数据，并转换成串行信号反向发送给主机。

数据通道0具有高速数据接收，以及低功耗下的Escape模式，数据通道1具有高速数据接收和超低功耗模式，在闲置状态时，通道都处于LP-II状态。当主机向从机发送高速接收请求序列LP-II->LPOI->LPOO，从机通过检测LP-II->LPOI和LPOI->LPOO的变化，使能差分放大电路的中的终端电阻控制信号，打开高速接收，从机开始准备接收主机高速发送过来的数据。当主机向从机发送Escape模式进入序列LP-II->LP-IO>LPOO>LPOI->LPOO时，从机开始检测序列，在正确接收到最后的LPOO状态后即进入Escape模式，然后等待主机发送Entry commands。再进行相应的操作，退出Escape模式的序列是LP-IO>LP-II。当主机向从机发送TA （turnaround）请求序列LP-II->LP-IO>LPOO>LP-IO>LPOO时，从机检测到正确的序列后即将低功耗发送使能端和线路冲突检测使能端置1。在序列检测过程中，当接收到LP-II状态时则从机立即终止该模式的进入，使通道处于LP-II状态。当接口工作于高速接收模式时，主要负责接收主机发送过来的图像数据，并对数据包进行解码，将图像数据转换成RGB666、RGB565、RGB888三种格式输出到LCOS驱动控制模块中点亮液晶像素。并生成行同步信号、场同步信号、数据有效信号及像素时钟信号。当接口工作于低功耗接收模式下时，负责接收主机发送过来的低功耗命令和数据，并将其转换成MIPI协议所描述的DBI格式输出到LCOS驱动控制器中，对LCOS显示模式及参数进行配置。具体工作原理如下图所示。

1.2 MIPI-DSI接口电路构架

MIPI-DSI从机接口电路主要包括4个模块：物理传输层模块、通道管理层模块、协议层模块以及应用层模块。如图2所示。

物理传输层：接收时钟通道、数据通道0和数据通道1的高摆幅低功耗序列信号，并进行序列检测，当检测到高速接收请求时，时钟通道接收高速率低摆幅的差分DDR时钟信号，并进行四分频为数据处理逻辑提供并行数据传输时钟，数据通道接收高速率低摆幅的差分数据信号，并进行串并转换输出8位的并行数据到通道管理层，数据通道0在检测进入Escape模式时，则接收高摆幅低速率的数据和命令，并进行串并转换输出到通道管理层；在检测到TA（turnaround）请求时，则将从机的数据或命令进行串行化，以数据通道0发送给主机。

通道管理层：包括时钟切换模块和数据融合电路，时钟切换模块主要为数据处理逻辑提供时钟信号，高速接收时提供主机发送过来并进行四分频后的时钟，低功耗传输时提供数据通道0总线异或而来的同步时钟，TA传输时则提供本地时钟作为电路的同步时钟。数据融合模块则将物理传输层输出的数据进行融合，并进行多级缓存，以备协议层进行数据的ECC、CRC检测及数据解码操作。

协议层：对数据进行ECC和CRC检测，并进行数据包的解码，输出相应的控制信号，若检测到MIPI协议所规定的底层协议错误，则标志相应的错误标志，在TA传输则进行数据包的编码发送到物理传输层。

应用层：根据协议层数据包解码结果，若是高速的图像数据，则将数据转换成DPI格式输出，若是低功耗数据或命令，则将数据转换成DBI格式输出。

MIPI-DSI接口电路结构框图如图2所示。

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MIPI-DSI接口IP设计与仿真

MIPI-DSI接口IP设计模拟部分采用定制方法，数字部分采用Verilog语言描述，程序设计采用层次化设计方法，根据图2所示是MIPI-DSI接口总体功能电路设计框图，编写系统spec和模块spec，设定各个功能模块的互连接口。每个模块的数据流处理都采用有限状态机进行描述。MIPI-DSI在上电初始化时处于闲置状态，总线都处于LP-II状态，当检测到主机发送序列时，从机接收序列，并判断开始进入哪种工作模式，主要有高速接收、Escape模式和反向传输（Turnaround）模式。

编写设计的顶层模块，为顶层模块搭建测试平台的初始化环境，根据MIPI协议描述的DSI接口的各个功能，编写测试激励testcase，通过建立虚拟主机发送端，建立虚拟显示驱动接收端，搭建起系统的验证平台，仿真结果如图3所示。