Lattice MIPI D-phy 硬件設(shè)計(jì)
本文為明德?lián)P原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！作者：鄭先生
MIPI聯(lián)盟是一家合作的全球性組織，為開發(fā)移動(dòng)和受移動(dòng)設(shè)備影響的行業(yè)提供服務(wù)。該組織的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)和推廣硬件和軟件接口，以簡(jiǎn)化從天線和調(diào)制解調(diào)器到外圍設(shè)備和應(yīng)用處理器的設(shè)備內(nèi)置組件的集成。MIPI Alliance精心設(shè)計(jì)其所有規(guī)格，以滿足移動(dòng)設(shè)備所需的嚴(yán)格操作條件：高帶寬性能，低功耗和低電磁干擾（EMI）。 所有領(lǐng)先的芯片組供應(yīng)商都使用了MIPI Alliance規(guī)范，這些規(guī)范已幫助移動(dòng)行業(yè)的公司整合了集成方法，同時(shí)創(chuàng)建了自己的高級(jí)設(shè)計(jì)來使產(chǎn)品與眾不同。當(dāng)今市場(chǎng)上的每個(gè)智能手機(jī)都至少具有一個(gè)MIPI Alliance規(guī)范。
Lattice Xilinx 等FPGA芯片原廠都是其聯(lián)盟成員，MIPI聯(lián)盟發(fā)布了很多接口規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，其中MIPI CSI-2，MIPI DSI，是目前廣泛應(yīng)用的接口標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用在移動(dòng)端，例如移動(dòng)電話，平板電腦等，近些年也廣泛應(yīng)該于汽車領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域，主要還是ADAS ,機(jī)器學(xué)習(xí)的興起。
MIPI CSI-2 （MIPI Camera Serial Interface 2），移動(dòng)和其他市場(chǎng)中使用最廣泛的攝像機(jī)接口。它以其易用性和支持廣泛的高性能應(yīng)用程序（包括1080p，4K，8K以及更高的視頻和高分辨率攝影）而得到廣泛采用。其由協(xié)議層，應(yīng)用層，物理層構(gòu)成。物理層使用的是D-phy （主要還是D-phy）跟C-phy。
MIPI DSI（MIPI Display Serial Interface）定義了主機(jī)處理器和顯示模塊之間的高速串行接口。該接口使制造商能夠集成顯示器以實(shí)現(xiàn)高性能，低功耗和低電磁干擾（EMI），同時(shí)減少引腳數(shù)并保持不同供應(yīng)商之間的兼容性。設(shè)計(jì)人員可以使用MIPI DSI為最苛刻的圖像和視頻場(chǎng)景提供出色的色彩渲染，并支持立體內(nèi)容的傳輸。其物理層也是采用的D-phy
D-phy 是MIPI聯(lián)盟的物理層小組所發(fā)布的物理層標(biāo)準(zhǔn)，該小組還發(fā)布其他物理層標(biāo)準(zhǔn)， A-phy , C-phy , M-phy。
D-phy V1.0 標(biāo)準(zhǔn)指出,其使用了兩種傳輸數(shù)據(jù)的模式，高速模式（High Speed，HS）和低功耗模式（Low Power，LP），兩種模式使用不同的傳輸電平和傳輸機(jī)制。D-phy每個(gè)數(shù)據(jù)通道使用兩條線（HS跟LP在每個(gè)通道下是共用的傳輸線），時(shí)鐘通道使用兩條線。這說明了用于最低配置的時(shí)候需要四根線。 在高速模式下，每個(gè)通道在兩側(cè)均終止，并由低擺幅差分信號(hào)（SLVS）驅(qū)動(dòng)。 在低功耗模式下，所有電線均采用單端和非終端方式操作。
在HS模式下其速率可達(dá)到500Mbps，DDR（dual-edged data transmission）模式。通過采用突發(fā)模式通信，可以降低有效數(shù)據(jù)吞吐量。 低功耗模式下的最大數(shù)據(jù)速率為10Mbps。
D-PHY電氣子層指出高速信號(hào)（HS）采用的差分電平傳輸?shù)臄[幅較低，一般為200 mV，而低功耗信號(hào)（LP）單端電平傳輸?shù)臄[幅較大，一般為1.2V。
HS的發(fā)送端的電路結(jié)構(gòu)如圖，是由兩個(gè)CMOS組成的差分輸出電路，由其DC參數(shù)可以得到，其差分壓擺幅度是140~270mV，一般值為200mV，單端輸出阻抗為40~62.5 ohm，這個(gè)參數(shù)可以幫助我們?cè)O(shè)計(jì)接收端電路板時(shí)做好阻抗控制與匹配，以保證信號(hào)完整型。Lattice FPGA內(nèi)部并沒有這樣的IO buffer，所以只能通過使用其他的IO buffer 做電平轉(zhuǎn)換，以滿足這樣的要求。
LP的發(fā)送端電路圖，其為LVCOMS12結(jié)構(gòu)輸出，Lattice FPGA 擁有LVCOMS12 IO buffer，加上外部端接電阻，可以滿足輸出阻抗110 Ohm的要求。
HS與LP的接收端與普通的LVDS，CMOS接收端并無多大區(qū)別。由于Lattice 可以接收200mV的SLVS,只要選擇固定的IO bank就行，值得一提的是Lattice 器件的tureLVDS 管腳有限，使用LVDS25E需要外接端接電阻，端接電阻Zid一般為100 ohm，與LVDS外部端接保持一致。當(dāng)然，LVDS 跟LVDS25E所能接收的速率是不一樣的，這一點(diǎn)需要注意。
Lattice MIPI csi-2與 DSI 除了使用crosslink器件解決方案，其他器件都需要自己添加與設(shè)計(jì)D-phy的電氣子層，因?yàn)?span>crosslink器件更像一個(gè)可編程的ASIC，普通的FPGA是沒有下圖這樣的物理資源。
MIPI D-phy 發(fā)送端的設(shè)計(jì)需要使用到LVDS25E的資源，LVDS25E是通過 Lattice 的8mA CMOS輸出buffer，構(gòu)成的橋式電路。通過外部電阻構(gòu)成的分流網(wǎng)絡(luò)，可以模擬出LVDS 的輸出。
改變這個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)，可以模擬出D-phy HS 輸出電平與LP電平，LP電平使用的 IO buffer 為LVCMOS12。Lattice官方給好的數(shù)據(jù)是RH=330 ohm ，RL =50 ohm，當(dāng)然該bank的電源要使用2.5V，若使用3.3V，則需要根據(jù)速率與信號(hào)完整性自己進(jìn)行設(shè)計(jì)。
對(duì)于接收端，由于Lattice 的LVDS IO buffer 支持SLVS 電平，只需要在LP接收端使用LVCMOS12 的 IO buffer，且外部添加RT=50 ohm的端接電阻即可。當(dāng)LVDS IO資源不夠時(shí)，可以采用LVDS25E，這將需要外端接100 ohm電阻，并且MIPI CSI-2跟MIPI DSI 的工程綜合后，布局布線會(huì)報(bào)錯(cuò)，這時(shí)則需要自己優(yōu)化好FPGA內(nèi)部布局布線等。
目前明德?lián)P公司已經(jīng)使用Lattice MachXO3系列與ECP5系列完成了4路sensor 通過MIPI csi-2 輸入，拼接成一路MIPI CSI-2輸出的工程，該工程也應(yīng)用于無人機(jī)，工業(yè)機(jī)器視覺等開發(fā)。想要合作的朋友可以聯(lián)系明德?lián)P！
