1 4K_HDMI FMC板卡概述
深圳明德?lián)P科技教育有限公司（簡稱MDY）研發(fā)了一款低成本的4K_HDMI FMC板卡, FMC接口采用的是HPC（高針數(shù)）類型，對于市面上的具有FMC_HPC接口的開發(fā)板都兼容。通過FMC接口與FPGA主板相連的模式來設(shè)計組成完整的開發(fā)。FMC的型號選用SAMTEC公司的asp-134488-01。該HDMI FMC板卡擴展了一路HDMI輸出接口和一路HDMI輸入接口。HDMI FMC板卡是一款支持4K 60幀的HDMI 輸入輸出開發(fā)模塊，該模塊采用IT68051作為HDMI接收器，接收到的數(shù)據(jù)通過FMC接口與FPGA相連，采用LT2611UX作為HDMI發(fā)送器，通過FMC接口接收FPGA發(fā)送到LT2611UX的LVDS視頻數(shù)據(jù)。 HDMI FMC板卡主要原理框圖如圖1所示，HDMI FMC板卡結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖2所示。
圖1 HDMI FMC板卡原理框圖
圖2 HDMI FMC板卡結(jié)構(gòu)尺寸圖
2主要接口介紹
2.1 HDMI IN接口
IT68051是雙端口HDMI2.0b接收器，支持6.0Gbps /通道的功能，每個端口的帶寬高達18Gb/s。端口0還可以支持在HDMI2.0b和MHL2.2雙模式下運行，它與MHL2.2、HDMI 1.4b/ HDMI2.0b，HDCP 1.4 / HDCP2.2完全兼容，并向后兼容DVI 1.0規(guī)范。IT68051具有深色功能（最高36位），可確保可靠接收高質(zhì)量的未壓縮視頻內(nèi)容，以及數(shù)字格式的DTS-HD和Dolby TrueHD等最先進的未壓縮和壓縮數(shù)字音頻內(nèi)容電視和投影儀。IT68051還支持所有與HDMI 2.0 3D規(guī)范兼容的主要3D格式。HDMI IN接口電路圖如圖3所示。
圖3 HDMI IN接口電路圖
除了支持各種視頻輸出格式外，IT68051還接收并提供多達12個通道的I2S數(shù)字音頻輸出，采樣率高達192kHz，采樣大小高達24位，從而可以直接連接到行業(yè)標準的低成本音頻DAC。此外，還提供了一個S / PDIF輸出，以支持高達192kHz幀頻的壓縮音頻。超級音頻光盤（SACD）通過DSD（直接流數(shù)字端口）端口最多支持8個通道和88.2kHz。IT68051還通過兩個接口提供了高比特率（HBR）音頻：四個I2S輸出端口或S/PDIF輸出端口。通過兩個接口，最高可支持的HBR幀速率高達1536kHz。IT68051支持將4Kx2K @ 60/50Hz縮減至1080P @ 60/50Hz。它支持60位LVTTL接口，以將各種視頻內(nèi)容傳輸?shù)较乱患壱曨l處理器。通過輸出接口，IT68051可以支持4K2K @ 60 UHD視頻分辨率輸出。IT68051還支持視頻分離模式，該模式通過輸出接口將一個18Gb/s 4Kx2K @ 50/60Hz HDMI2.0b流分離為兩個9Gb/s 2Kx2K @ 50/60Hz流。每個IT68051都預編程有唯一的HDCP密鑰，符合HDCP標準，從而可以安全傳輸高清內(nèi)容。IT68051的用戶無需購買任何HDCP密鑰或ROM。
2.2 HDMI OUT接口
LT2611UX是一款適用于STB（機頂盒），DVD應用的高性能LVDS至HDMI2.0轉(zhuǎn)換器。LVDS輸入可配置為具有1個高速時鐘通道和3?4個高速數(shù)據(jù)通道的單端口，雙端口或四端口，最大速度為1.2Gbps/lane，可支持的總帶寬高達19.2Gbps。LT2611UX支持用于2D和3D應用程序的靈活的視頻數(shù)據(jù)映射路徑。HDMI2.0輸出支持高達6Gbps的數(shù)據(jù)速率，從而為4k @ 60Hz視頻提供足夠的帶寬。HDCP2.2還支持數(shù)據(jù)加密。HDMI OUT電路圖如圖4所示。
圖4 HDMI OUT電路圖
該芯片有兩個數(shù)字音頻輸入接口：I2S和SPDIF。I2S接口支持8通道LPCM，而SPDIF接口支持2通道LPCM或壓縮音頻，兩者的最大采樣率均為192kHz。
該器件具有自動操作能力，這由集成微處理器啟用，該微處理器使用嵌入式SPI閃存存儲固件。也可以通過配置I2C從接口來進行系統(tǒng)控制。
2.3 STM32芯片
HDMI FMC板卡上添加了一片stm32f10xrxt2芯片，用來配置HDMI接口芯片，我們提供配置的固件，stm32f10xrxt2芯片電路圖如圖5所示。
圖5 stm32f10xrxt2芯片電路圖
2.4 電平轉(zhuǎn)換芯片
HDMI FMC板卡上放置了5片16通道的電平轉(zhuǎn)換芯片，型號為sn74avc16t245，配合IT60851接口芯片完成適應FPGA開發(fā)板間的信號電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖如圖6所示。
圖6電平轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖
2.5 HPC FMC接口
FMC:英文全稱，FPGA Mezzanine Card。是一個應用范圍、適應環(huán)境范圍和市場領(lǐng)域范圍都很廣的通用模塊。FMC連接器是FMC的一個重要組成部分，它連接由FPGA提供的引腳和FMC子板的I/O接口。高性能引腳速度可以達到幾個Gb/s。FMC的引腳分為電源信號引腳、JTAG信號引腳、IIC信號引腳、地址設(shè)置引腳、相應的控制檢測信號引腳、以及吉比特接口信號引腳(gigabit interface)和普通用戶信號引腳(user defined pins)及其時鐘信號引腳。其中的信號傳輸及其時鐘信號引腳都是按照差分對標準來定義的。HPC FMC硬件電路圖如7所示。
圖7 HPC FMC硬件電路圖
2.6供電電路
通過FMC接口由FPGA開發(fā)板供電，主要有12V、3.3V 以及VADJ。
HDMI FMC板卡器件共需要4種電源，分別是5.0V，3.3V，1.2V和1.0V。其中5V和3.3V通過TI公司的電源芯片TPS562208DDCR和TPS54620產(chǎn)生。電路如圖8和圖9所示。
圖8 5V電源產(chǎn)生電路
圖9 3.3V電源產(chǎn)生電路
1.2V和1.0V主要為接口芯片供電，通過TI公司的TLV62065DSGR產(chǎn)生。電路如圖10和圖11所示。
圖10 1.2V電源產(chǎn)生電路
圖11 1.0V電源產(chǎn)生電路
3 總結(jié)
深圳明德?lián)P科技教育有限公司研發(fā)了一款低成本的4K_HDMI FMC板卡，該HDMI FMC板卡擴展了一路HDMI輸出接口和一路HDMI輸入接口，非常方便用戶進行二次開發(fā)。
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