MIPI高速数据接口的研究与实现

1徐荣香,2孙延辉,3崔红燕,4魏相美,5许海宇

摘要：MIPI-DSI是MIPI联盟面对移动终端提供的一种高速度、低能耗的串行通讯接口，能够满足高分辨率显示，减少显示输出能耗的需要。本文设计了作用于显示驱动芯片MIPI接口的高速接收电路，包含可校正输入终端电阻、带输入失衡补偿的高速度比较器还有串行转并行模块。仿真分析显示，单通道数据传输速率达到了1Gbps。

关键词：MIPI；数据接口；差分传输技术

移动行业处理器接口MIPI主要是为移动应用处理器建立标准协议，致力于为移动终端里面的高清摄像头、显示器、射频/基带等提供规范化的接口。MIPI技术不仅可以显著改善网络的带宽和性能，同时也具备节省成本、减少复杂度、降低功耗、抑制电磁干扰等优势。可以说，MIPI不只是一种接口或协议，更是一套全面的、多样的、高质量的协议与标准。

一、MIPI接口技术概念及应用

1、概念

MIPI接口技术是一种基于串行数据传输的高性能技术，具有传输速度快、功耗低、尺寸小、可靠性高以及灵活性等优点。

MIPI利用高速差分传输技术，通过多个数据通道和时钟信号实现高速、可靠且低功耗的数据传输。与传统的并行接口技术相比，MIPI接口具有更小的体积，可以有效地满足小型设备的设计要求。此外，MIPI接口技术具有出色的抗干扰和抗噪声能力，使得数据传输更加可靠。同时还具有极大的灵活性，可以满足多种应用场景以及多种设备的连接要求。

2、应用

随着技术的发展，MIPI接口技术已经成为各种设备的标配，从智能手机到平板电脑，从汽车到医疗设备，都被广泛地用于图像和视频传输。

例如，手机和平板电脑的屏幕显示是我们日常生活中必不可少的一部分，而且，拍照、录像等多媒体功能也是不可或缺的。这些功能的实现，需要高速的MIPI接口，以及更加快速的数据传输。MIPI接口的出色性能使得手机拍照、录像和屏幕显示的效果大幅提升，可以实现高速传输，并且可以将拍摄的图像和视频数据实时显示在屏幕上，从而实现高帧率、高分辨率的拍照和录像体验，同时还能够有效地降低设备的能耗。通过该技术，用户不仅可以拍摄出高质量的照片和视频，捕捉珍贵的瞬间，还能够享受更加流畅、逼真的录像效果，而且由于低功耗的特性，电池寿命也得到了大幅度延长，极大提升了用户的使用体验。

MIPI接口技术的应用范围正在迅速扩大，已经超越了传统的移动设备。随着科学技术的发展，医疗设备，特别是超声波、X射线等影像技术，必须具备快速、稳定的数据传输能力，MIPI接口可以为相关设备提供最佳的解决方案，使超声波、X射线技术等影像数据得到高效传输，保证医务人员可以快速准确地对影像数据进行分析，为临床诊断和治疗提供了重要的依据。此外，MIPI接口在物联网、智能化家居、智能监控系统、智能网络电视、智能化车辆等行业也得到了广泛性应用。在物联网系统中，MIPI接口能够将传感器获得的数据通过快速传输到云端展开处理，实现智能的监控与控制。在智能化家居中，摄像头和显示屏幕运用MIPI接口实现视频的高清传输和显示。智能监控系统里的高清摄像头能够通过MIPI接口即时传输视频信息，提供优质的视频监控画面。智能网络电视运用MIPI接口接入各类外围设备，如数码产品和音频设施，实现信息化内容的传输和播放。智能化车辆中的传感器、车载显示器和监控摄像头也依赖于MIPI接口，实现车中内容显示和智能辅助驾驶。

二、优化数据传输效果的方法

伴随着数字化时代的发展，视觉图像和视频在移动终端和嵌入式操作系统里的普遍使用，使怎样实现更高效的图像和音视频传输已成为重要的问题。为了解决此问题，可从以下几个方面着手：提升数据传输率、优化数据传输效果、应用更高效的MIPI接口协议技术。

要想提高数据传输率，可从两个方面进行：一是提升接口带宽，二是提升信号传输的速度。提升接口带宽可以借助加大数据线规模、使用高速差分传输方式在同样的面宽上搭载更强的数据吞吐量等手段实现。而提升信号传输率可通过使用更强的信号速度，比如加大各个时钟周期内的传输数据量、提升时钟频率以加大每秒的传输时钟周期规模，还有缩减信号延迟等方式。另外，还能使用分时复用、多路传输等技术手段提升数据传输率。综合运用以上方法，能够进一步提升数据传输率。

优化数据传输效果方式就是指在确保数据传输稳定性和可靠性的基础上，优化传输效果，缩减传输时延和传输差错率。可以借助具有数据压缩技术、数据过滤、数据复传等技术手段的接口协议，以优化整个数据的传输。与此同时，还能根据不同的应用环境或硬件选择适合的传输协议，如D-PHY、C-PHY等，以提升数据传输稳定性和效率。

应用更高效的MIPI接口协议技术是提升视觉图像和视频传输率的有效手段。新一代的MIPI接口技术也提供了很多特性和功能，如低耗能模式、多路传输、数据压缩技术等，适合不同应用环境的使用需求。

三、MIPI高速数据接口的实现

1、电路结构

当处于高速运行时，主机端的差分信号将驱动两条相连的电缆，这两条电缆将分别处于differential-0和differential-1的状态。在主机上，高速接收单元能够将低摆幅的差分数据转化为精确的逻辑信号。通过在串行转并行模块中采用双沿采样技术，可以将高速串行数据转换为双路并行数据，从而使后续数字电路能够更加高效地处理和分析。

2、输入终端电阻

因为输入数据信号频率高，需要恰当地调整电阻。因此，我们在电压比较器的差分输入端的dp/dn插入了100欧的端子电阻，并通过开关予以控制。在系统需要进行高速传输时，这个端子电阻会被启动。同时，考虑到电阻值会受到工艺角、温度等因素的大幅影响，故在50欧的终端电阻R0基础上，额外添加了三只电阻，通过三个不同的指令来进行控制，并通过调节控制码以改变电阻值，确保在各个工艺角和温度下，端子电阻能够达到协议所要求的值。通过使用RTUN模块，可以对终端电阻进行校准，其原理是通过使用片外精确的电阻来校准片内的电阻。通过buffer,vbg(1.2V）被转换成一个可以被测量的电流，并且这个电流会被传输到6.04K的外部电阻上，通过将电流ires流入片内电阻，并与rex-tv(1.2V）进行比较，可以观察到比较器的输出变化情况。

3、高速比较器

在MIPI接口的高速接收模块内，关键功能由高速比较器实现。所接收的信号具有速度快且频率低的属性，任何比较器输入端的不稳定都可能导致接收数据的偏离，进而显著降低系统效率。为了提高系统性能，该比较器采取了offset调整技术，也就是在每次传输数据前，会先调整电路一次，以缓解输入失衡电压带来的影响。

普遍来讲，导致比较器失调电压的主因常常是输入管的不均衡性。一旦比较器内部出现输入偏差，DPAIR2模块的电流就会发生相应的变动，进而影响到流向NLOAD2模块的电流也会随之改变。调整控制参数，使itrimm和iconst的电流得到相应的调整，协同NLOAD2模块，通过电流镜输入电流的变化来实现补偿，进而使得VPP与VPN的剩余电流能保持同步，达到offset的补偿效果

4、串行转并行电路

通过高速比较器，将幅度较低的差分数据变为逻辑电平，接着使用高速时钟和串并转换模块进行双向采样，最终产生并行数据输出<0>和输出<1>供应给数字电路，从而实现了同步时钟的产生。

四、电路仿真

经过模拟测试的结果发现，当数据传输速度达到1Gbps时，模拟电路的耗电量为0.5mA，而相比之下，数字动态电流会提高到2mA。应用了低摆幅（140mV）的伪随机数据信号，将其输入到高速接收模块，通过观察输入端的信号来鉴定电路是否能精准地接收和传递数据。通过电路仿真，发现，使用500MHz的采样时钟，可以完成1Gbps的传输力，这充分证明高速接收电路能准确地识别和处理输入的信息。

结语：随着MIPI技术的不断普及，已成为移动终端的重要组成部分，而且越来越多的软硬件制造商也纷纷加入其中。本文提出的这种高速接收电路，能够满足MIPI-DSI标准，并且能够有效地支持显示驱动芯片的工作。经电路仿真实验可知，该电路实现了单通道1Gbps的数据传输率。

参考文献

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