基于FPGA实现Mini-LVDS转HDMI

原创于 2025-11-06 14:16:59 发布 · 935 阅读

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#fpga开发 #Mini-LVDS #LVDS #HDMI

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基于FPGA实现Mini-LVDS转HDMI是一个非常实用的项目，它将两个不同领域的显示技术连接起来。这是一个比转LVDS更复杂的任务，因为涉及到从简单的数字信号到复杂的TMDS协议的转换。

但是用于主板测试比使用采集卡+工控机的方式更加经济，特别是现在传统显示利润下行压力大的时候，是一个不错的选择，毕竟也不用拿原装屏去测试了。

一、系统架构概览

整个系统可以分为三个主要阶段：

   [ Mini-LVDS 源 ]
         | (差分对： PCLK, HSYNC, VSYNC, DE, D0, D1, ... Dn)
         V
      [ FPGA ]
         |-- 1. Mini-LVDS 接收前端
         |-- 2. 视频处理与色彩空间转换
         |-- 3. HDMI/DVI 编码与发送
         |
         V (TMDS差分对： CLK, D0, D1, D2)
    [ HDMI 显示器 ]

二、FPGA 实现详细步骤

第一部分：Mini-LVDS 接收前端

这一步与之前的LVDS接收完全相同，目标是恢复出并行的RGB像素数据、同步信号和像素时钟。

硬件接口：
- 将Mini-LVDS的差分时钟和数据线连接到FPGA的LVDS兼容引脚。
- 在约束文件中设置正确的LVDS I/O标准。
时钟恢复：
- 使用 IBUFGDS 接收差分像素时钟。
- 通过MMCM/PLL锁定并缓冲这个时钟，生成系统所需的各个时钟。
数据解串与对齐：
- 为每个Mini-LVDS数据通道实例化 ISERDESE2（Xilinx）或类似原语。
- 使用 Bitslip 和 训练模式 确保所有数据通道与时钟对齐。
- 输出： 得到稳定的 RGB_parallel， HSYNC, VSYNC, DE 和 pclk_in。

第二部分：视频处理与色彩空间转换

这是整个设计的核心处理阶段。Mini-LVDS通常传输的是RGB数据，而HDMI也支持RGB格式，但通常需要一些处理。

数据重组与缓冲：
- 将解串后的多路数据总线重新组合成完整的像素数据。例如，如果源是6位/色，可能需要组合成18位RGB。
- 可选： 使用FIFO或行缓冲来处理时钟域交叉或解决源与目标之间的时序微小差异。
分辨率与帧率适配：
- 如果输入输出规格一致： 这是最简单的情况，可以直接透传。
- 如果不一致： 需要集成一个 视频缩放IP核。这通常需要外部存储器（如DDR）作为帧缓存，复杂度较高。对于简单应用，建议选择输入输出分辨率相同的模式。
色彩深度上采样：
- Mini-LVDS源可能是18-bit（6-6-6）或24-bit（8-8-8）色彩。
- HDMI标准通常期望24-bit色深。
- 如果从18-bit转换到24-bit： 你需要将每个6位的颜色分量扩展到8位。最简单的方法是左移2位，但这会丢失一些灰度级别。更好的方法是使用查找表或进行线性变换来提供更平滑的梯度。
  - R_8bit = {R_6bit, R_6bit[1:0]}; // 简单方法，复制低位
  - R_8bit = (R_6bit * 4) + (R_6bit >> 4); // 更好的方法，近似线性映射
同步信号处理：
- 确保 HSYNC, VSYNC, DE 的极性符合后续HDMI编码模块的要求。必要时用逻辑取反。

第三部分：HDMI/DVI 编码与发送

这是最具挑战性的部分，需要实现TMDS编码算法。

TMDS编码器：

你需要为每个HDMI数据通道（B, G, R）实现一个TMDS编码器。
TMDS编码是一个组合逻辑过程，包含：
- 差分编码： 减少信号中的直流偏置和EMI。
- 直流平衡： 确保传输的"0"和"1"数量大致相等。
以下是TMDS编码器的简化Verilog代码框架：

module tmds_encoder (
    input wire clk,
    input wire [7:0] VD, // Video data (e.g., R, G, or B channel)
    input wire [1:0] CD, // Control data (for sync periods)
    input wire VDE,      // Video Data Enable (DE signal)
    output reg [9:0] TMDS
);
    // 内部信号
    wire [8:0] q_m;
    wire [3:0] N1, N0;
    // ... 计算0和1的个数 ...

    // 1. 选择阶段：根据VDE选择编码数据或控制数据
    // 2. 差分编码阶段：生成q_m
    // 3. DC平衡阶段：根据偏差选择是否反转q_m，并添加第10位

    always @(posedge clk) begin
        // 时序逻辑输出最终的10位TMDS码
        if (~VDE) begin
            // 控制期编码：CD为{VSYNC, HSYNC}
            case (CD)
                2‘b00: TMDS <= 10’b1101010100;
                2‘b01: TMDS <= 10’b0010101011;
                2’b10: TMDS <= 10‘b0101010100;
                2’b11: TMDS <= 10’b1010101011;
            endcase
        end else begin
            // 数据期编码：复杂的组合逻辑
            // ... 实现TMDS算法 ...
        end
    end
endmodule

并串转换：
- 将每个TMDS编码器输出的10位并行数据，高速串行化。
- 使用 OSERDESE2 原语，配置为10:1串行化（这是DVI/HDMI 1.x的标准）。
- 需要一個 10倍于像素时钟 的串行时钟。例如，如果像素时钟是74.25MHz（720p），串行时钟需要742.5MHz。
时钟通道：
- HDMI的时钟通道传输的是一个与像素时钟频率相同、但占空比恒定的方波。
- 实际上，它传输的是一个固定的10位模式 10'b0000011111（或它的反码），在OSERDESE2中通过输入"0000001111"来实现。
输出缓冲与TMDS电平：
- 使用 OBUFDS 将串行化后的数据以差分信号输出。
- 重要提示： FPGA的LVDS电平和HDMI的TMDS电平在直流偏置上略有不同，但在大多数情况下，FPGA的LVDS输出可以直接驱动HDMI输入，尤其是在短距离传输时。为了更好的兼容性，可以使用 OBUFDS 的 DIFF_TERM 属性，或者在PCB上添加外部50欧姆匹配电阻。
时钟生成：
- 使用MMCM/PLL从输入的像素时钟生成：
  - pclk_out：与输入同频或倍频后的像素时钟（用于TMDS编码逻辑）。
  - pclk_x10：10倍速的串行时钟（用于OSERDESE2的 CLK）。
  - pclk_x10_inv：反向的10倍速时钟（用于OSERDESE2的 CLK）。

三、简化方案与IP核使用

由于手动实现TMDS编码和高速串行接口比较复杂，强烈建议使用供应商IP。

Xilinx：
- 使用 Digital Visual Interface (DVI) Transmitter IP核。HDMI在电气上和DVI兼容，所以你可以直接使用DVI TX IP核来发送RGB信号，显示器会将其识别为HDMI信号（但无音频）。
- 这个IP核会自动实例化TMDS编码器、时钟生成和OSERDESE2，你只需要提供RGB像素数据、同步信号和像素时钟。
Intel：
- 使用 ALTCLKCTRL 和 ALTPLL 生成时钟。
- 使用 Serializer IP核进行并串转换。
- 可以找到开源的TMDS编码器逻辑，或者使用 Avalon-ST Video Protocol 相关的IP组合。

四、挑战与注意事项

时序闭合： 742.5MHz这样的高速时钟域对时序要求极其苛刻，必须仔细约束和验证。
PCB设计： HDMI连接器的4对差分线必须严格等长，阻抗控制为100欧姆。
HDMI合规性： 此方案产生的是无音频的DVI信号。要实现完整的HDMI（带音频和Infoframe），需要复杂得多的协议栈，通常需要购买完整的HDMI TX IP核。
电源去耦： 为高速I/O Bank提供非常干净的电源。

五、总结

基于FPGA实现Mini-LVDS转HDMI是一个出色的学习项目，它涵盖了高速串行接口、视频处理和协议转换等多个关键领域。最实用的方法是：使用FPGA的LVDS接收器解出RGB数据，然后直接喂给供应商提供的DVI Transmitter IP核。 这样可以避免手动实现复杂且容易出错的TMDS编码和高速串行逻辑，极大地提高开发效率和可靠性。