新型USB主机桥显示器的设计与验证

文/牟赟

在日常生活中，液晶显示器的使用越来越普及，但不同用户终端的要求有所不同，比如游戏玩家选用无卡顿和撕裂现象的电竞显示器，医院医生诊断CT 病情需要专业的医疗显示器，图形图像处理用户选择色彩更逼真的广色域显示器，以达到各自需求。在商用方面，一款能够管理多系统操作的新型显示器产品应运而生。目前研发的全球首款最新型商用USB 主机桥显示器则是通过适当的键盘、鼠标、显示器的配置，实现系统和网络的集中管理。主要利用KVM 键盘(Keyboard)、显示器(Video)、鼠标(Mouse)多主机切换系统，系统管理员可以通过一套键盘、鼠标、显示器在多个不同操作系统的主机或服务器之间进行切换并实施管理。极大地方便用户操作，节省时间，提高工作效率，提升了用户体验和满意度。

1 系统硬件结构设计

根据液晶显示系统的设计要求，USB 主机桥显示器同样也是采用模块化设计整体构架，主要分为六大模块：

（1）直流电源转换模块；

（2）信号输入模块；

（3）scalar 主控芯片模块；

（4）音频模块；

（5）USB HUB 模块；

（6）液晶显示屏信号接口模块。

而新型USB 主机桥显示器的设计特点主要是它在传统显示器信号HDMI/DP 输入模块上，增加了Type-C 信号输入和处理以及采用Host Bridge HUB 的设计方案，不仅扩大了显示器的应用范围，并且可以进行多系统集中管理的便捷操作，对商业显示器的发展贡献了一份力量。

首先我们介绍一下USB Type-C 接口：USB Type-C 接口是目前全新的USB 接口，如图1所示，它的亮点在于更加纤薄的设计（尺寸小8.3mm×2.5mm）、更快的传输速度（最高10Gbps）以及更强劲的电力传输（最高100W），同时还可以传输视频、声音信号。Type-C 接口最大的特点是支持USB 接口双面插入，即正反面都可以插,终于解决了“USB永远插不准”的世界性难题。假如插拔换一次方向至少2s，按全球10 亿人每天插拔一次USB，如果按50%概率插错，共耗时277000多小时，约为31年。使用Type-C 接口正反随便插的特点则节省了人们大量的时间，配备Type-C 连接器的标准规格连接线可通过3A电流，同时还支持超出现有USB 供电能力的“USB PD”，可以提供最大100W 的电力。

接下来，我们重点说明主机桥显示器USB Host Bridge 的设计方案。

第一步，主机桥的原理说明：就是使用USB Type-C 信号传输，通过具有USB Host Bridge 的Hub,可以自动切换USB 上行口，达到通过一套键盘、鼠标、显示器在多个不同操作系统的主机或服务器之间进行切换并实施管理。比如鼠标和键盘在两个系统之间自由切换、进行系统间文本编辑复制粘贴、影音视频等文件传输的多功能操作。USB Host Bridge 主机桥原理图，如图2所示。

第二步，硬件系统回路设计：本方案在传统4K 显示器硬件回路的设计上进行升级，USB HUB 回路设计主要采用新型GL3590 型号的USB HUB IC，拥有4 个USB3.0 接口,2个Type-C 接口（既可以当视频显示信号，也可以当USB 上行数据口）。系统硬件模块设计示意图，如图3所示。

2 软件系统设计

在系统的运行过程中，系统软件主流程的关键是依据于所产生的不同事件，然后调用先前设定好各种不同状态的处理流程，对其实施响应。

当显示器初始上电时，首先会被系统进行初始化，当全部的初始化完成之后，系统便进入到循环运行的状态。当输入的有效信号被系统判别之后，系统会把其应支持的信号表与实际输入的信号进行实施对比，而且依据对应的逻辑处理信号，最后在液晶显示屏输出显示。当然在系统运行时，人机交互模块的判断也同时进行穿插。这也是普通显示器软体系统工作流程。

如果使用USB Host Bridge 功能的主机桥显示器，则需要在软体OSD 菜单中再增加PBP(Picture Beside Picture 画边画)选项功能，这样才能达到通过一台显示器同时控制多台操作系统的显示目的。系统软件模块设计示意图，如图4所示。

3 系统测试验证

图1：USB 接口示意图

系统检测是来对系统产品功能进行有效的评估，提早发现问题并进行改善。除了对4K 显示器进行正常的系统功能检测外，这里主要研究针对主机桥显示器评估增加系统测试验证项目。以下主要分为电路和软件两大基本功能检测验证。

3.1 电路基本功能检测

USB Type-C 接口功能使用Type-C 治具板进行测试

（1）首要的任务在于进行确认每组电压是否与设计要求相符合，以便确保电源供电的稳定性。当系统便处于正常的工作模式下，通过调节Type-C 治具板上的电压开关，运用精密万用表或数字示波器依次测量20V、15V、12V、9V、5V，电流设计要求不低于4.25A，以确认每组电压和电流是否存在输出是否在设计所允许的范围之内。

（2）功率检测主要使用仪器为功率计，显示器需要搭配Type-C 治具板进行系统功率测试，功率最大不超过100W。

3.2 软件基本功能检测

完成测试电路基本功能之后，接下来就是系统的软件基本功能测试，除了一般显示器软件功能测试之外，Host Bridge 主机桥显示器主要增加OSD 菜单PBP 功能测试、USB Type-C信号测试和Host Bridge 功能兼容性测试：

3.2.1 OSD 菜单PBP 功能测试

系统OSD 菜单是实现其良好人机交互效果的核心部分，除了验证其文字说明是否正确，主要确认PBP 功能是否正确无误符合设计期望要求，确保画边画功能正常显示。

3.2.2 USB Type-C 信号测试

由图形信号产生器或兼容显卡或带有Type-C 接口的手机产生Type-C 信号输入给显示器不同的画面，例如不同颜色、灰阶、静态动态等形式的图像画面，测试各个的画面是否能正常显示，确保画面不应当出现画异、抖动、闪动、水波纹、杂色、竖线、横细线、拖影、字迹模糊等问题等其他异常画面显示，需要符合画质达标的要求。

目前具有Type-C 测试的设备如下：

显卡：

NVIDIA GTX2070、GTX 2080

笔记本：

Mac Book Pro (MLH32CH/A:A1707) 、MAC Book Pro MPXT2CH/A、MAC Book Pro R962CHA、MAC Book Air MRE82CHA、Google Chromebook Pixel 2、Google Pixelbook、HP 830 G5、HP 840 G5、HP 745 G5、DELL Latitude 5490。

手机：

华为Mate20、华为P20…。

3.2.3 Host Bridge 主机桥功能兼容性测试

测试平台：主机桥显示器OSD 菜单须设置在PBP 功能下；显示器USB3.0 接上一套鼠标，键盘；系统PC1 的桌面设置为帅哥桌面，并写明为PC1；系统PC2 的桌面设置为美女桌面，并写明为PC2；并在不同的操作系统Windows，Linux，MAC OS ，手机Android 系统上分别成功地安装USB Host Bridge 驱动。然后进行如下相关操作验证。

（1）鼠标在PC1 和PC2 之间移动操作，移动过程需顺畅，不同系统间可进行自由切换。

（2）鼠标在PC1 上点击操作再移动到PC2 之间进行点击，操作过程正常。

（3）在PC1 与PC2 之间进行文本/复制/黏贴操作。

（4）在PC1 与PC2 之间进行截屏操作。

（5）在PC1 与PC2 之间进行文件传输操作，文本/影音/视频应正常并完整传输，Copy 后需确认文件能正常打开。

（6）使用同一设备（U 盘）两边同时Copy 文件到PC1 和PC2，文件可以正常复制

（7）PBP Source 切换功能正常。

（8）Type C 为数据口+其它为视频口（HDMI or Display port），画面显示及各功能应正常。

以上测试可结合多种组合方式：不同分辨率及刷新率，不同PC 扩展方式（扩展, 复制, 仅计算机）多操作系统Windows，Linux，MAC OS ，手机Android 系统之间进行操作和管理，以达到较全面的兼容匹配性。

4 结论

通过以上技术的研究，运用最新的USB Host Bridge 主机桥技术，拓展了显示器的用途，改善视觉效果，提高工作效率，大大提升市场竞争力，使用户享受最便捷、最流畅、最高效的多系统集中操作管理的新体验。

图2：USB Host Bridge 主机桥原理图

图3：系统硬件模块设计示意图

图4：系统软件模块设计示意图