一种基于fpga实现lvds转dvi和hdmi的转换电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及视频信号转换【技术领域】，具体为一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，其能够实现LVDS转换成DVI和HDMI，得到较高的数字视频信号传输速率和高清分辨率，使用方便，适应性好，其包括电源电路和LVDS视频源，其特征在于，LVDS视频源连接图像信号处理电路，图像信号处理电路包括FPGA芯片，FPGA芯片连接算法存储器电路、HDMI发送电路、DVI发送电路、配置电路。
【专利说明】-种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及视频信号转换【技术领域】，具体为一种基于FPGA实现LVDS转DVI 和HDMI的转换电路。
【背景技术】
[0002] 目前，连接到显示器的数字视频接口主要有LVDS和DVI/HDMI几种方式。LVDS是 一种低压差分信号技术接口，缺点是支持的速率不够高，只能达到230Mb/s左右，S卩SXGA的 分辨率。另外LVDS也无法提供内容保护的机制，LVDS主要应用在一些便携系统中小尺寸 的显示器上，但是这一技术不太适合桌面显示器。DVI/HDMI可以支持到UXGA的分辨率，已 经超过了高清电视需要的分辨率。DVI可以通过HDCP提供内容保护的功能，而HDMI本身就 含有HDCP的内核。基于这两个因素，DVI/HDMI接口已广泛应用于DVD播放机、有线电视/ 卫星电视机顶盒、HDTV等设备上，但是其转换不方便。
【发明内容】
[0003] 为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的 转换电路，其能够实现LVDS转换成DVI和HDMI，得到较高的数字视频信号传输速率和高清 分辨率，使用方便，适应性好。
[0004] 其技术方案是这样的：其包括电源电路和LVDS视频源，其特征在于，所述LVDS视 频源连接图像信号处理电路，所述图像信号处理电路包括FPGA芯片，所述FPGA芯片连接算 法存储器电路、HDMI发送电路、DVI发送电路、配置电路。
[0005] 其进一步特征在于，所述FPGA芯片为型号为EP4CE40F29C8N，所述FPGA芯片的 FPGA_CLK_27M管脚连接27M晶振；
[0006] 所述LVDS视频源为双通道LVDS视频源，所述LVDS视频源通过LVDS数据线和时 钟信号线连接所述FPGA芯片；
[0007] 所述算法存储器电路包括两个SDRAM存储器，所述SDRAM存储器的型号为 H57V2562GTR-60C，所述SDRAM存储器的通过RGB数据线、控制信号线、时钟信号线连接所述 FPGA芯片；
[0008] 所述配置电路包括M25P16串行主动配置芯片U18,所述M25P16串行主动配置芯片 通过配置信号线连接所述FPGA芯片，所述M25P16串行主动配置芯片连接AS下载接口 J10 ;
[0009] 所述HDMI发送电路包括AD9889B发射芯片U3,所述FPGA通过RGB数据线、控制信 号线、时钟信号线连接所述AD9889B发射芯片U3,所述AD9889B发射芯片U3连接HDMI接 Π ；
[0010] 所述DVI发送电路包括TFP410视频编码芯片U1，所述FPGA通过RGB数据线、控制 信号线、时钟信号线连接所述TFP410视频编码芯片U1，所述TFP410视频编码芯片U1连接 DVI 接口；
[0011] 所述电源电路包括2. 5V电源电路、1. 8V电源电路、1. 2V电源电路，所述2. 5V电源 电路、1. 8V电源电路、1. 2V电源电路的输入电压均为3. 3V的电源VDD，所述；
[0012] 所述2. 5V电源电路包括TPS79625稳压芯片U5,所述TPS79625稳压芯片U5的1 脚和2脚相连后连接电容C2、电容C100、电感L9 一端，所述电容C2、C100另一端相连后接 地，所述电感L9另一端连接电源VDD，所述TPS79625稳压芯片U5的3脚和6脚接地、5脚 通过电容C12接地、4脚连接电容C5、C6、C103 -端，所述电容C5、C6、C103另一端相连后接 地，所述TPS79625稳压芯片U5的4脚为2. 5V电源电路的2. 5V电压输出端，所述1. 8V电源 电路包括TPS79618稳压芯片U6,所述TPS79618稳压芯片U6的1脚和2脚相连后连接电容 C3、电容C99、电感L10-端，所述电容C3、C99另一端相连后接地，所述电感L10另一端连 接电源VDD，所述TPS79618稳压芯片U6的3脚和6脚接地、5脚通过电容C13接地、4脚连 接电容C9、C10、C108 -端，所述电容C9、C10、C108另一端相连后接地，所述TPS79618稳压 芯片U6的4脚为1. 8V电源电路的1. 8V电压输出端，所述1. 2V电源电路包括AMS1084-ADJ 稳压芯片，所述AMS1084-ADJ稳压芯片的3脚连接电容C4、电容C101、电感LI 1 一端，所述电 容C4、C101的另一端相连后接地，所述电感L11的另一端连接电源VDD，所述AMS1084-ADJ 稳压芯片的1脚接地、2脚和4脚相连后连接电阻R4、电容C11、电容C102的一端，所述电阻 R4另一端连接1脚，所述电容C1UC102的另一端相连后接地，所述AMS1084-ADJ稳压芯片 的4脚为所述1. 2V电源电路的1. 2V电压输出端；
[0013] 所述FPGA芯片上留有测试端口。
[0014] 采用本实用新型的结构后，FPGA作为主控芯片，承担了 LVDS视频数据流的解析、 色彩空间的转换、算法存储器电路的读写控制、HDMI发送电路和DVI发送电路的控制等多 种任务，多种任务集中在一块芯片上实现，提高了系统的集成度，另外由于FPGA的可编程 性，使整个系统拥有了很大的灵活性，使用方便，适应性好。又由本实用新型中的DVI和 HDMI可以支持到UXGA的分辨率，实现LVDS转换成DVI和HDMI的同时，得到较高的数字视 频信号传输速率和高清分辨率，确保高清信号输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型结构示意图；
[0016] 图2为SDRAM存储器与FPGA芯片电路连接示意图；
[0017] 图3为配置电路示意图；
[0018] 图4为HDMI发送电路不意图；
[0019] 图5为DVI发送电路不意图；
[0020] 图6为FPGA芯片与双通道LVDS视频源、HDMI发送电路DVI发送电路连接示意图；
[0021] 图7为电源电路示意图。
【具体实施方式】
[0022] 见图1所示，一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，其包括电源电 路11和双通道LVDS视频源2,双通道LVDS视频源2连接图像信号处理电路，图像信号处 理电路包括FPGA芯片1，FPGA芯片1连接算法存储器电路、HDMI发送电路8、DVI发送电路 9、配置电路5 ;算法存储器电路包括两个SDRAM存储器3, SDRAM存储器3的通过RGB数据 线、控制信号线、时钟信号线连接FPGA芯片1，双通道LVDS视频源2通过LVDS数据线和时 钟信号线连接FPGA芯片1，FPGA芯片1通过时钟信号线连接27M晶振4,配置电路5通过配 置信号线连接FPGA芯片1，配置电路5连接AS下载接口 6, FPGA芯片1通过RGB数据线、 控制信号线、时钟信号线连接HDMI发送电路8, HDMI发送电路8通过TMDS数据线、时钟信 号线连接HDMI接口 10, FPGA芯片1通过RGB数据线、控制信号线、时钟信号线连接DVI发 送电路7, DVI发送电路7通过TMDS数据线、时钟信号线连接DVI接口 9。
[0023] 图像处理模块电路是以Cyclon4系列EP4CE40F29C8N的FPGA芯片为核心组成的 电路。FPGA芯片内部的LVDS接收器实现对双通道LVDS视频源的低压差分信号的接收后， 把解码出来的并行图像数据按照对应关系将每个像素的色彩值解析到RGB空间，实现色彩 空间的转换；随后将转换后的每个像素的RGB值写入SDRAM存储器中；再从SDRAM存储器 中读出像素的RGB值，并将其转换成TMDS码元序列，但考虑到TMDS链路上传输的是编码后 的串行码元，根据TMDS链路的编码规则，链路上传输的码元速率将达到1G (码元/秒）左 右，如此高的速度对于FPGA芯片的实现是比较困难的，所以需要采用专用的TMDS发送芯片 来实现TMDS数据流的发送，即由FPGA芯片将像素的RGB值从SDRAM存储器中读出，并按照 VGA的时序标准发传送给TMDS发送芯片，再由TMDS发送芯片完成对每个像素的RGB值的编 码和并串转换，然后将其发送到TMDS链路上，提供给HDMI和DVI显示。本实用新型采用差 分信号传输，数据发送和接收中识别的都是压差信号，传输线缆长度对信号影响较小，具有 较好的远距离信号传输、抗电磁干扰等能力。
[0024] 算法存储器电路中SDRAM存储器的主要操作包括初始化、读写和刷新操作，考虑 到视频数据的存储和显示是同时进行的，而SDRAM存储器是单端口器件，数据的写入和读 出不能同时进行，故需要两块SDRAM同时进行乒乓操作来完成数据的连续读写。由于输出 图像的分辨率要求FPGA与TMDS发送芯片之间传送数据的带宽在100M(像素/秒）以上，因 此要求FPGA芯片与SDRAM存储器之间传送数据的带宽也要在100M(像素/秒)以上。最后 考虑到系统的扩展和升级，最终选用了 Hynix公司的型号为H57V2562GTR-60C的SDRAM存 储器，这种型号的存储器的容量为4M X 4Bank xl6比特，工作速度可达到166MHz，完全满足 系统的要求。见图2所示，图中有FPGA芯片中部分管脚和两个SDRAM存储器U16、U17，FPGA 芯片的各个管脚外的标注与SDRAM存储器U16、U17各个管脚外的标注对应连接，即FPGA芯 片的SDRAM_DQ[31，0]的32个脚管脚对应连接SDRAM存储器U17的DQ15?DQ0管脚、SDRAM 存储器U16的DQ15?DQ0管脚，FPGA芯片的SDRAM_A[12, 0]的13个管脚分别对应连接SDRAM 存储器U16、U17的A12?A0管脚，FPGA芯片的SD_BA[1，0]的两个管脚分别连接SDRAM存 储器 U16、U17 的 BA1、ΒΑ0 管脚，FPGA 芯片的 SDRAM_ CS_N、SDRAM_CLK、SDRAM_CKE、SDRAM_ CAS_N、SDRAM_WE_N、SDRAM_RAS_N 管脚分别对应连接 SDRAM 存储器 U16、U17 的 nSCS、SCLK、 SCKB、nSCAS、nCE、nSRAS 管脚，FPGA 芯片的 SDRAM2_UDM、SDRAM2_LDM、SDRAM1_UDM、SDRAM1_ LDM管脚对应连接SDRAM存储器U17的UDQM、LDQM管脚，FPGA芯片的SDRAM1_UDM、SDRAM1_ LDM管脚对应连接SDRAM存储器U16的UDQM、LDQM管脚，其中，FPGA芯片的SDRAM_CLK端口 与SDRAM存储器U16、U17的SCLK端口相连后提供给时钟信号，其余的端口相连都是提供控 制信号，另外 FPGA 芯片预留有测试端口，S卩 TEST_2V5_P0INT [4, 0]和 TEST_3V3_P0INT [6, 0] 共12个端口，方便以后测试时使用。
[0025] 配置电路选用的是M25P16型号串行主动配置芯片U18,由AS下载接口 J10将程 序写入到串行主动配置芯片U18中，在系统上电后，由FPGA芯片主动要求串行主动配置芯 片U18对其进行配置，使此视频接口具有脱机工作的能力，见图3所示，串行主动配置芯片 U18、AS下载接口 J10、FPGA芯片的连接如图所示。
[0026] HDMI发送电路采用ADI公司的高清多媒体HDMI1. 3接口发射芯片AD9889B。 AD9889B支持的TMDS单链路上的像素带宽范围在25M (像素/秒）至165M (像素/秒）之 间，支持最高达1080p的高清电视格式，以及最高达UXGA (1600 X 1200,60 Hz)的计算机图 形分辨率。它内置HDCP支持功能，可以安全传输HDCP1. 2协议规定的受保护内容。另外， 它的外围配置电路较少，通过将配置引脚与FPGA相连，可以实现多种配置使其工作在不同 的方式下，设计灵活性大。
[0027] DVI发送电路采用TI公司的视频编码芯片TFP410,编码后的TMDS信号通过DVI电 缆传送至DVI显示器。TFP410视频编码芯片支持从VGA到UXGA(25?1 65MHz)格式的像 素速率，它接收24位并行像素数据、像素时钟和控制信号，通过TMDS编码模块将其编码成 RGB三路数据通道和一路时钟通道。TFP410视频编码芯片有状态引脚配置和I2C总线配置 两种配置方式。本实用新型利用FPGA内部实现的I2C模块对TFP410视频编码芯片进行 配置。TFP410视频编码芯片主要通过DE管脚的高低电平来决定发送信号类型：当DE管脚 为高电平时，发送像素编码数据；当DE管脚为低电平时，发送同步信号以及控制信号；ISEL 管脚的高低决定是否采用I2C总线，当ISEL管脚信号为低电平时，需要根据外部引脚对芯 片进行配置；当ISEL管脚信号为高电平时，可以通过I2C总线来配置，此时外部引脚配置不 起作用。
[0028] 见图4,图5,图6所示，图6中FPGA芯片的管脚外的标注与图4、图5中AD9889B 发射芯片U3、TFP410视频编码芯片U1管脚外的标注对应的即为连接，即FPGA芯片的HDMI_ R [7, 0]、HDMI_G [7, 0]、HDMI_B [7, 0]的 24 个管脚对应连接 AD9889B 发射芯片 U3 的 D23?DO 管脚，FPGA 芯片的 HMDI_CLK、HMDI_VS、HMDI_HS、HMDI_DE、HMDI_PD_N、HMDI_SDA、HMDI_ SCL、HMDI_INT 管脚对应连接 AD9889B 发射芯片 U3 的 CLK、VSYNC、HSYNC、DE、PA/AO、SDA、 SCL、INT管脚，其中FPGA芯片的HMDI_CLK与AD9889B发射芯片U3的CLK相连通时钟信 号，其余为控制信号；FPGA芯片的DVI_R[7, 0]、DVI_G [7, 0]、DVI_B [7, 0]的24个管脚对应 连接TFP410视频编码芯片U1的DATA23?DATA0管脚，FPGA芯片的DVI_IDCK、DVI_VS、DVI_ HS、DVI_DE、DVI_PD、DVI_MSEN、DVI_EDGE_HTPLG 管脚对应连接 TFP410 视频编码芯片 U1 的 IDCK+、VSYNC、HSYNC、DE、PD#、MSEN、EDGE/HTPLG 管脚。
[0029] 见图4所示，SCLK管脚输入音频输入时钟，S/H)IF管脚为Sony/Philips音频输 入，MCLK管脚输入音频参考时钟，LRCLK管脚为左右声道选择，HPD管脚输入显示屏热插 拔感应信号，HDMI_DDC_SCL、HDMI_DDC_SCK管脚为AD9889B发射芯片U3与HDMI显示屏的 I2C 通信接口，I2S0、I2S1、I2S2、I2S3 管脚为音频输入数据，ΤΧ0+、ΤΧ0-、TX1+、TX1-、TX2+、 TX2-、TXC+、TXC-管脚连接HMDI接口，前六个为三对传输TMDS数据，后两个为一对传输 TMDS 时钟；见图 5 所示，ΤΧ0+、ΤΧ0-、TX1+、TX1-、TX2+、TX2-、TXC+、TXC-管脚连接 DVI 接 口，前六个为三对传输TMDS数据，后两个为一对传输TMDS时钟；见图6所示，LVDS_A_CK_ P、LVDS_A_CK_N、LVDS_A_D_P[3, 0]、LVDS_A_D_N[3, 0]管脚连接 A 通道 LVDS 视频源，LVDS_ A_CK_P、LVDS_A_CK_N 管脚传输时钟信号，LVDS_A_D_P[3,0]、LVDS_A_D_N[3,0]管脚传输 LVDS 数据，LVDS_B_CK_P、LVDS_B_CK_N、LVDS_B_D_P [3, 0]、LVDS_B_D_N[3, 0]管脚连接 B 通 道 LVDS 视频源，LVDS_B_CK_P、LVDS_B_CK_N 管脚传输时钟信号，LVDS_B_D_P[3, 0]、LVDS_ B_D_N[3, 0]管脚传输LVDS数据，27M晶振连接到FPGA专用时钟输入管脚即FPGA_CLK_27M 管脚，27M晶振经FPGA片内模拟锁相环（PLL)倍频到162M，做为HDMI和DVI视频的同步时 钟。FPGA将产生HDMI和DVI发射电路工作所需要的行同步、帧同步、数据有效、时钟等信 号。
[0030] 电源电路的输入电压为3. 3V的电源VDD。因AD9889B发射芯片U3的供电电压 为1. 8V，需要一颗3. 3V转1. 8V的稳压芯片；另外FPGA芯片配置的LVDS引脚标准电压为 2. 5V，因此需要3. 3V转2. 5V的稳压芯片；又有FPGA芯片中的锁相环和中断需求电压为 1. 2V，需要3. 3V转1. 2V的稳压芯片，固整个电路中需要3颗稳压芯片。同时，考虑到各个芯 片对功耗的要求，3. 3V转1. 8V的稳压芯片最终选定为Texas Instruments公司的TPS79618 型号的稳压芯片，它的输出电流可以达到1A，3. 3V转2. 5V的芯片选用Texas Instruments 公司的TPS79625型号的稳压芯片，它的输出电流可以达到1A ;3. 3V转1. 2V的芯片选用 Advanced Monolithic Systems公司型号为AMS1084-ADJ稳压芯片，具体电路如图7所不， 2. 5V电源电路包括TPS79625稳压芯片U5, TPS79625稳压芯片U5的1脚和2脚相连后连 接电容C2、电容C100、电感L9 一端，电容C2、C100另一端相连后接地，电感L9另一端连接 电源VDD，TPS79625稳压芯片U5的3脚和6脚接地、5脚通过电容C12接地、4脚连接电容 C5、C6、C103 -端，电容C5、C6、C103另一端相连后接地，TPS79625稳压芯片U5的4脚为 2. 5V电源电路的2. 5V电压输出端，1. 8V电源电路包括TPS79618稳压芯片U6, TPS79618稳 压芯片U6的1脚和2脚相连后连接电容C3、电容C99、电感L10 -端，电容C3、C99另一端 相连后接地，电感L10另一端连接电源VDD，TPS79618稳压芯片U6的3脚和6脚接地、5脚 通过电容C13接地、4脚连接电容C9、CIO、C108 -端，电容C9、CIO、C108另一端相连后接 地，TPS79618稳压芯片U6的4脚为1. 8V电源电路的1. 8V电压输出端，1. 2V电源电路包括 AMS1084-ADJ稳压芯片，AMS1084-ADJ稳压芯片的3脚连接电容C4、电容C101、电感L11 一 端，电容C4、C101的另一端相连后接地，电感L11的另一端连接电源VDD，AMS1084-ADJ稳压 芯片的1脚接地、2脚和4脚相连后连接电阻R4、电容C11、电容C102的一端，电阻R4另一 端连接1脚，电容C1UC102的另一端相连后接地，AMS1084-ADJ稳压芯片的4脚为1. 2V电 源电路的1.2V电压输出端。
【权利要求】
1. 一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，其包括电源电路和LVDS视 频源，其特征在于，所述LVDS视频源连接图像信号处理电路，所述图像信号处理电路包括 FPGA芯片，所述FPGA芯片连接算法存储器电路、HDMI发送电路、DVI发送电路、配置电路。
2. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，其特 征在于，所述FPGA芯片为型号为EP4CE40F29C8N，所述FPGA芯片的FPGA_CLK_27M管脚连接 27M晶振。
3. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述 LVDS视频源为双通道LVDS视频源，所述LVDS视频源通过LVDS数据线和时钟信号线连接所 述FPGA芯片。
4. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述算 法存储器电路包括两个SDRAM存储器，所述SDRAM存储器的型号为H57V2562GTR-60C，所述 SDRAM存储器的通过RGB数据线、控制信号线、时钟信号线连接所述FPGA芯片。
5. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述配 置电路包括M25P16串行主动配置芯片U18,所述M25P16串行主动配置芯片通过配置信号线 连接所述FPGA芯片，所述M25P16串行主动配置芯片连接AS下载接口 J10。
6. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述 HDMI发送电路包括AD9889B发射芯片U3,所述FPGA通过RGB数据线、控制信号线、时钟信 号线连接所述AD9889B发射芯片U3,所述AD9889B发射芯片U3连接HDMI接口。
7. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述 DVI发送电路包括TFP410视频编码芯片U1，所述FPGA通过RGB数据线、控制信号线、时钟 信号线连接所述TFP410视频编码芯片U1，所述TFP410视频编码芯片U1连接DVI接口。
8. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述电 源电路包括2. 5V电源电路、1. 8V电源电路、1. 2V电源电路，所述2. 5V电源电路、1. 8V电源 电路、1. 2V电源电路的输入电压均为3. 3V的电源VDD，所述。
9. 根据权利要求8所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述 2. 5V电源电路包括TPS79625稳压芯片U5,所述TPS79625稳压芯片U5的1脚和2脚相连后 连接电容C2、电容C100、电感L9 一端，所述电容C2、C100另一端相连后接地，所述电感L9另 一端连接电源VDD，所述TPS79625稳压芯片U5的3脚和6脚接地、5脚通过电容C12接地、4 脚连接电容C5、C6、C103 -端，所述电容C5、C6、C103另一端相连后接地，所述TPS79625稳 压芯片U5的4脚为2. 5V电源电路的2. 5V电压输出端，所述1. 8V电源电路包括TPS79618 稳压芯片U6,所述TPS79618稳压芯片U6的1脚和2脚相连后连接电容C3、电容C99、电 感L10 -端，所述电容C3、C99另一端相连后接地，所述电感L10另一端连接电源VDD，所述 TPS79618稳压芯片U6的3脚和6脚接地、5脚通过电容C13接地、4脚连接电容C9、CIO、 C108 -端，所述电容C9、CIO、C108另一端相连后接地，所述TPS79618稳压芯片U6的4脚 为1. 8V电源电路的1. 8V电压输出端，所述1. 2V电源电路包括AMS1084-ADJ稳压芯片，所 述AMS1084-ADJ稳压芯片的3脚连接电容C4、电容C101、电感L11 一端，所述电容C4、C101 的另一端相连后接地，所述电感LI 1的另一端连接电源VDD，所述AMS1084-ADJ稳压芯片的 1脚接地、2脚和4脚相连后连接电阻R4、电容C11、电容C102的一端，所述电阻R4另一端 连接1脚，所述电容Cll、C102的另一端相连后接地，所述AMS1084-ADJ稳压芯片的4脚为 所述1. 2V电源电路的1. 2V电压输出端。
10.根据权利要求1所述的一种基于FPGA实现LVDS转DVI和HDMI的转换电路，所述 FPGA芯片上留有测试端口。
【文档编号】H04N7/01GK203851223SQ201420233193
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2014年5月7日
【发明者】刘媛媛, 冯宏伟 申请人:无锡科技职业学院