明德扬4K_HDMI FMC板卡设计

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1  4K_HDMI FMC板卡概述

深圳明德扬科技教育有限公司（简称MDY）研发了一款低成本的4K_HDMI FMC板卡, FMC接口采用的是HPC（高针数）类型，对于市面上的具有FMC_HPC接口的开发板都兼容。通过FMC接口与FPGA主板相连的模式来设计组成完整的开发。FMC的型号选用SAMTEC公司的asp-134488-01。该HDMI FMC板卡扩展了一路HDMI输出接口和一路HDMI输入接口。HDMI FMC板卡是一款支持4K 60帧的HDMI 输入输出开发模块，该模块采用IT68051作为HDMI接收器，接收到的数据通过FMC接口与FPGA相连，采用LT2611UX作为HDMI发送器，通过FMC接口接收FPGA发送到LT2611UX的LVDS视频数据。 HDMI FMC板卡主要原理框图如图1所示，HDMI FMC板卡结构尺寸图如图2所示。

图1  HDMI FMC板卡原理框图

图2 HDMI FMC板卡结构尺寸图

2主要接口介绍

2.1 HDMI IN接口

IT68051是双端口HDMI2.0b接收器，支持6.0Gbps /通道的功能，每个端口的带宽高达18Gb/s。端口0还可以支持在HDMI2.0b和MHL2.2双模式下运行，它与MHL2.2、HDMI 1.4b/ HDMI2.0b，HDCP 1.4 / HDCP2.2完全兼容，并向后兼容DVI 1.0规范。IT68051具有深色功能（最高36位），可确保可靠接收高质量的未压缩视频内容，以及数字格式的DTS-HD和Dolby TrueHD等最先进的未压缩和压缩数字音频内容电视和投影仪。IT68051还支持所有与HDMI 2.0 3D规范兼容的主要3D格式。HDMI IN接口电路图如图3所示。

图3 HDMI IN接口电路图

除了支持各种视频输出格式外，IT68051还接收并提供多达12个通道的I2S数字音频输出，采样率高达192kHz，采样大小高达24位，从而可以直接连接到行业标准的低成本音频DAC。此外，还提供了一个S / PDIF输出，以支持高达192kHz帧频的压缩音频。超级音频光盘（SACD）通过DSD（直接流数字端口）端口最多支持8个通道和88.2kHz。IT68051还通过两个接口提供了高比特率（HBR）音频：四个I2S输出端口或S/PDIF输出端口。通过两个接口，最高可支持的HBR帧速率高达1536kHz。IT68051支持将4Kx2K @ 60/50Hz缩减至1080P @ 60/50Hz。它支持60位LVTTL接口，以将各种视频内容传输到下一级视频处理器。通过输出接口，IT68051可以支持4K2K @ 60 UHD视频分辨率输出。IT68051还支持视频分离模式，该模式通过输出接口将一个18Gb/s 4Kx2K @ 50/60Hz HDMI2.0b流分离为两个9Gb/s 2Kx2K @ 50/60Hz流。每个IT68051都预编程有唯一的HDCP密钥，符合HDCP标准，从而可以安全传输高清内容。IT68051的用户无需购买任何HDCP密钥或ROM。

2.2 HDMI OUT接口

LT2611UX是一款适用于STB（机顶盒），DVD应用的高性能LVDS至HDMI2.0转换器。LVDS输入可配置为具有1个高速时钟通道和3〜4个高速数据通道的单端口，双端口或四端口，最大速度为1.2Gbps/lane，可支持的总带宽高达19.2Gbps。LT2611UX支持用于2D和3D应用程序的灵活的视频数据映射路径。HDMI2.0输出支持高达6Gbps的数据速率，从而为4k @ 60Hz视频提供足够的带宽。HDCP2.2还支持数据加密。HDMI OUT电路图如图4所示。

图4 HDMI OUT电路图

该芯片有两个数字音频输入接口：I2S和SPDIF。I2S接口支持8通道LPCM，而SPDIF接口支持2通道LPCM或压缩音频，两者的最大采样率均为192kHz。

该器件具有自动操作能力，这由集成微处理器启用，该微处理器使用嵌入式SPI闪存存储固件。也可以通过配置I2C从接口来进行系统控制。

2.3 STM32芯片

HDMI FMC板卡上添加了一片stm32f10xrxt2芯片，用来配置HDMI接口芯片，我们提供配置的固件，stm32f10xrxt2芯片电路图如图5所示。

图5 stm32f10xrxt2芯片电路图

2.4 电平转换芯片

HDMI FMC板卡上放置了5片16通道的电平转换芯片，型号为sn74avc16t245，配合IT60851接口芯片完成适应FPGA开发板间的信号电平转换。电平转换芯片电路原理图如图6所示。

图6电平转换芯片电路原理图

2.5 HPC FMC接口

FMC:英文全称，FPGA Mezzanine Card。是一个应用范围、适应环境范围和市场领域范围都很广的通用模块。FMC连接器是FMC的一个重要组成部分，它连接由FPGA提供的引脚和FMC子板的I/O接口。高性能引脚速度可以达到几个Gb/s。FMC的引脚分为电源信号引脚、JTAG信号引脚、IIC信号引脚、地址设置引脚、相应的控制检测信号引脚、以及吉比特接口信号引脚(gigabit interface)和普通用户信号引脚(user defined pins)及其时钟信号引脚。其中的信号传输及其时钟信号引脚都是按照差分对标准来定义的。HPC FMC硬件电路图如7所示。

图7 HPC FMC硬件电路图

2.6供电电路

通过FMC接口由FPGA开发板供电，主要有12V、3.3V 以及VADJ。

HDMI FMC板卡器件共需要4种电源，分别是5.0V，3.3V，1.2V和1.0V。其中5V和3.3V通过TI公司的电源芯片TPS562208DDCR和TPS54620产生。电路如图8和图9所示。

图8  5V电源产生电路

图9  3.3V电源产生电路

1.2V和1.0V主要为接口芯片供电，通过TI公司的TLV62065DSGR产生。电路如图10和图11所示。

图10  1.2V电源产生电路

图11  1.0V电源产生电路

3  总结

深圳明德扬科技教育有限公司研发了一款低成本的4K_HDMI FMC板卡，该HDMI FMC板卡扩展了一路HDMI输出接口和一路HDMI输入接口，非常方便用户进行二次开发。