MS901/K机芯是TCL公司早期在2013年推出的一款机芯,用于Android智能3D数字云电视中,主要有V7600、V8500、H6600系列。其中,V7600和H6600系列采用MS901机芯主板。相比MS801机芯主板,MS901机芯主板更换了IC方案,主频增加至双核1.2GHz,内置的存储卡(EMMC) 容量增至16GB,支持USB3。另外,HDMI2还兼容移动终端高清影音标准接口(MHL)功能。

       V8500系列使用MS901K机芯主板,该板除具有MS901板的所有功能外,还增加集成块6M40及其升级串口,并增设了侧置AV小板,支持VB1输出或者120Hz LVDS信号输出,如图1所示。

         该机芯主板的供电系统如图2所示。

         主芯片U400的型号是MSD6A901IV (简称为MS901),内置有高速运行的Am9cortex双核微处理器,主频1.2GHz,4核Armmal-i400MP4GPU、基于Linux的记忆管理单元,全双工异步发送/接收器(UART =UniversalAsynchronousRe-ceiver/Transmitter);支持8bit/10bit双通道LVDS输出,支持NTSC、PAL、SECAM等电视制式解码,以及MPEG、H.264 高清解码,具有3D制式功能,能进行DVB C 有线数字电视解调。另外,该芯片与HDMI兼容支持1路MHL输入(支持MHL1.2协议,最大支持75MHz@1080P 24/30Hz输人),并支持1路USB3.0输出功能。
一、新型电路分析
1.复位电路


         系统复位电路分两部分,第一部分是上电复位,其测试点如图3所示,相关电路如图4所示。

         该电路的供电电压是STB3.3V,通过设置三极管Q401外接的阻容元件的RC时间常数,使Q401的发射极和基极存在一定的充电时间差,从而改变Q401的导通时间,达到复位高电平的要求。
         具体地讲,3.3V电压一路经电阻R419给电容C409充电,另一路经二极管D403给电容C408充电,由于电阻R419的阻值较大,电容C409的充电时间较长,即在此过程中,Q401的e极电压高于b极电压,Q401导通,其c极输出高电平。随着C409充电的结束,Q401的b极电压升高,接近3.3V, Q401截止,其c极输出低电平,从而在C446.上端形成一个脉冲,起到上电复位的作用。


         第二部分是掉电检测复位电路,如图5所示。其中一路参考电压是STB3.3V,另外一路可以是24V(复位点电压是17.16V),也可以是12V (复位点电压是8.32V)。关机时,STB3.3V是最后掉电的,先掉电的24V或12V电压下降到一定程度时Q404导通,其c极输出高电平复位信号。
        实测得该复位电路输出的复位波形如图6所示,即在掉电时,复位高电平持续时间可达750ms,而上电时复位高电平持续时间约100ms。POW_ PW则是在待机时拉低复位电平,则二次开机时系统无需复位。


2.USB分时复用切换电路


         该机芯主板设有USB分时复用切换电路,如图7所示,采用串行总线集线器U1001(USB2514),③、④脚及⑥~⑨脚为三路USB数据信号输人接口(DM表示数据负信号,DP表示数据正信号),由U1001进行分时复用,如图8所示。


        该机芯的蓝牙和无线鼠标的接口电路如图9所示,数据传输端口为USB-DM3、USB-DP3;WIFI接口电路如图10所示,数据传输端口为USB-DM4、USB-DP4,这些外设均是采用USB协议进行数据传输。P1005的⑤~⑧脚预留可扩展至无线MIC(话筒)。


         USB_DM2/USB_ DP2作为P1004摄像头接人使用,如图11所示,RT9711(U1004)是一块内置有N沟道的MOS-FET的DC-DC转换电路,最高输人电压为6.5V,输出最大电流为1.5A,有SOT-23-5和sOP-8两种封装形式,多用于USB口、 摄像头等电路的供电电路中。该电路默认状态为关闭状态,当接入摄像头后,DE-TECT信号变为高电平,三极管Q1002导通,U1004的③脚变为低电平,U1004内部电路启动,从⑤脚输出5V电压,供给摄像头。


3. 1.15V 内核供电电路
         该机芯的主IC和芯片6M40所用的内核电压为1.15V, 该电压由新型电压转换器MP8606DL降压得到,其关键测试点如图12所示。


         MP8606DL是一款高频同步整流降压开关模式转换器,输入电压为2.9V~6.5V,具有6A的连续输出电流能力,以及快速瞬态响应和环路稳定性高等优点。该芯片采用3mmX4mm QFN18封装形式。在MS801机芯中,此处电路用的同步降压电流模式DC-DC转换器TPS54519,其输出电流最大值为5A。


         该DC-DC变换电路如图13所示,属于BUCK(降压)型,其③脚(FB)外接反馈电路,可通过调节该脚外接分压电阻的阻值来改变输出电压的大小,最低输出电压为0.6V;②脚为工作频率设置端,具体值由电阻R1127的阻值决定,若阻值为220kΩ,则工作频率约为881.5kHz。Q1101及R1102~R1104等元件构成电压反馈控制电路,主要作用就是在核电压(Corepower)偏高或者偏低时进行反向调整。输出电压VCORE经R1134送给检测电路。若检测得输出电压偏低,则主芯片发出的UART1_TX信号为高电平,Q1101导通,R1102、R1103连入电路,则MP8606DL的③脚电压下降,在芯片内部电路的控制下,输出电压升高,此时输出电压为1.193~1.26V;反之,当输出电压升高时,则主芯片发出的UART1TX信号为低电平,Q1101截止,此时输出电压为1.164V~1 .236V。
4. 高速传输USB3.0技术与控制电路
        USB (Universal SerialBUS )是一种通用串行总线协议技术,经历多年发展,2.0规格已被广泛应用。USB3.0又称SurperSpeed USB ,是最新的USB规范,其物理层传输速度可达5Gb( byte)/s,应用层理论吞吐量在300Mb(byte)/s以上,远远大于USB2.0的信号传输速率。部分USB3.0端口如图14、15所示。


         USB3.0接口必须安装控制电路,并且默认状态为OFF。本机芯USB3.0接口电路关键测试点如图16所示,其控制电路如图17所示。U201(RT9711)的导通和关断由主IC的I/O口进行控制,当USB_ PW_ ON信号为高电平时,即U201的③脚为高电平,U201内部的N沟道MOS-FET导通,输出USB_5V电压;当USB_PW_ON信号为低电平时,没有USB_ 5V电压输出。


         须说明的是,目前USB3.0接口不支持强制升级,原因是USB3.0的驱动比较复杂,导致Mboot文件容量变大,目前的升级软件尚不支持。若MS901主板要强制升级,则需外接升级小板。
        值得一提的是,USB3.0技术除在数据传输速率上远高于USB2.0技术外,在总线结构、线材材质和电源管理方面也有较大差别,见表1。


        在总线结构方面:USB 3.0采用对偶单纯形四线制差分信号线,进行点对点全双工通信(同步双向通.信),并没有采用USB2.0的半双工通信(异步双向通信)方式。USB3.0用两信道将数据传输( Transmission)及确认(ACKnowledgement )过程分离,,从而使数据传输速度更快。
        在线材材质上,USB3.0除了跟USB2.0共用电源线(VBus)、 地线(GND),传输信号线(D+/D-)外,还多了二对SS信号线,如图18所示,以完成下行(Down Stream)及上行(Up Stream)两信道的全双工通信。USB 2.0采用纤细的、非屏蔽的双绞线(Unshielded TwistedPair),而USB3.0采用多核SDP(Shielded Differential Pair ,有遮蔽差分讯号对)线,如图19所示。


         线上电压方面,USB3.0链路电压提高至900mA (USB2.0 为500mA),这样使USB设备能更快速的充电。
          电源管理方面:USB3.0引入了新的电源管理机制,支持待机、休眠和暂停等状态,即在USB2.0的启用/待机模式基础.上增加了休眠模式,因为在启用/休眠模式间切换要比在启用/待机模式间切换快得多。同时,当设备处于休眠模式时,管理芯片不向其发送指令,可减少电源消耗。
          提示:“单工”指只允许甲方向乙方传送信息,而乙方不能向甲方传送;“半双工”指一个时间段内,只允许发送数据或者接收数据;“全双工”指在发送数据的同时也能够接收数据,两者同步进行。
         异步传输:接收设备在收到起始信号后,只要在一个字符的传输时间内能和发送设备保持同步,就能正确接收,其波特率是固定的,但字符的传输是异步的。该方式的传输效率低于同步传输方式。
         另外,在同步传输方式下,数据块与数据块之间的时间间隔是固定的,必须严格地规定它们的时间关系,并需要同步时钟。

二、新技术简析
1.HDMI与MHL的识别技术
      (1)HDMI介绍
       HDMI高清数字多媒体)接口现已广泛地用于液晶彩电、机顶盒、影碟机、播放器等设备中,它可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,传送无压缩的音频信号及高分辨率视频信号,同时无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,从而保证高质量的影音信号传送。采用HDMI的好处是只需一条HDMI线便可以同时传送影音信号,从而大大简化家庭影院系统的安装。常用HDMI接口插头与插孔外形如图20所示(体积较大,不利于微型化)。


       HDMI接口有19个管脚,其引脚功能见表2,其中①~12脚分成4个通道,主要用来传输视频和音频信号,这种方式称为最小化传输差分信号TMDS;17、13脚分别传输DDC(display data channel,显示器的物理数据)及CEC (Consumer ElectronicsControl,消费电子协议)信号。


     (2)MHL介绍
       MHL是Mobile High -Defini-tion Link的缩写,表示移动终端高清影音标准接口。MHL只用了5个管脚,其中4个管脚专门用来传输音频和视频信号,一个管脚专门用来进行控制MHL传输。为了传输RGB数据,MHL把标准的HDMI连接中的三个最小化传输差分信号信道缩减成1个,采用C-BUS  (ChipBus,片总线)连接方式,其速度是传统HDMI的3倍,能够在便携式设备上实现平均功耗只有60mW、速度达到2.2Gbs的连接。
         C -BUS是一个点到点的双向的单线连接,工作电压为1.8V,bit速率为1MHz。在实际应用中,这些设备通过C-BUS读取外接的E-DID(是一种VESA标准数据格式,包含有关显视器及其性能的参数,如供应商信息、最大图像大小、颜色设置、厂商预设置、频率范围的限制以及显示器名和序列号的字符串)信息,以便以最合适的分辨率输出。
       通过MHL接口可播放外接设备中的音视频信号,支持1080P高清视频和7.1数字音频信号,同时还可向移动设备供电并为其电池充电。MHL可以用HDMI的Type A连接器进行信号传输,也能够借用移动设备中常见的5pin的microUSB接口。当用支持MHL的uUSB口连接USB设备时,系统工作在USB模式;若连接的是MHL设备,则工作在MHL模式。
       HDMI使用了4对高速TMDS差分线,1对用于传输高速时钟,另外3对高速差分的数据线分别用于红绿蓝信号的传输。HDMI总线时钟速率通常是信号速率的1/10,如时钟像素速率是148.5MHz,则3对数据线上传输的数据速率是1.485Gb/s(HDMI1.3/1.4的标准中定义的最高数据速率是3.4Gb/s)。对于MHL,红绿蓝数据复用在一对差分信号线上,数据速率变成像素时钟速率的30倍。受差分线最高速率的限制,MHL能够支持的最高分辨率和色彩相对HDMI有所下降。
       目前,主流的多款智能手机均带有MHL功能,只需通过一条HDMI转MHL的连接线,如图21所示,即可和该机芯彩电进行互联共享。


      (3)HDMI与MHL控制电路
        MS901K机芯彩申:的HDMI与MHL接口控制电路如图22所示,关键实测点如图23所示。

        当外接HDMI信号时,+5V从接口进入到SiI9687的R3PWR5V脚,然后从CBUS_HPD3端输出响应信号到相应HDMI端口的HP-ET脚。在MS901机芯彩电中,因为没有安装有SiI9687芯片,HDMI 5V输入后接入主IC的H3 DET脚,由I/O口对上拉到5V的H3_HPD_OUT进行反相控制。
         19脚(HP_ET)作为外接设备热拔插端,当该端为高电平时,芯片的源端接收带有接收端设备信息的EDID心Enhanced Extended DisplayIdentification Data)数据,此时源端则开始通过DDC (Display DataChannel)接收E-EDID信息。至此,源端和接收端之间的初始化完毕,并在二者之间建立了一条数据通道。设备是否能够自动跳转到HD-MI发送/接收状态,则需要由设备本身的软件来进行控制,“热插拔”只能够起到建立物理连接的作用。
        在MHL模式下,HDMI的18脚是没有+5V电压输入的,接入的MHL连接线在HDMI的15脚及②脚间接入33kΩ电阻,上拉CD _sence脚,源极端通过CD _sense的下拉300kΩ电阻检测到接收端Sink(接收端设备)的插人,CD_sense同时连接U301(RT9711 /A, Power Switch)的使能端③脚(高电平有效),如图24所示,然后源极端会通过Sink设备的19脚C-BUS读取Sink设备的EDID信息以确认合适的分辨率输出。

       虽然SiI9687的各组差分信号输入都可以作为MHL信号输入使用,但在本机芯电路中,固定使用D0-/D0+作为MHL-/MHL+信号传输。另外,MS901K机芯只有HDMI2才支持MHL输入,MS901机芯只有HDMI1才支持MHL输入。
       HDMI的14脚(H -ARC)是音频返回通道,作用是将解码后的数字音频通过HDMI端口返回到信号源端进行运放处理。


       另外,在MS901机芯主板上,对MHL供电控制与图24有些不一样,具体电路如图25所示,关键实测点如图26所示。

       在主IC I/O口不起控的情况下,一直有5V电压输出,MHL VBUS EN默认置低。只有MHL CD_SENSE有输入置高并被主IC识别后,MHLes BUS EN才会置高,U301才会输出5V到MHL VBUS。在使用中发现,在外接HDMI时(接入H2_5V)时,HD-MI产生的漏电流会导致RT9711的EN端电压异常,从而影响5V电压的输出,因此在后期部分产品中,U301改用RT9721,并去掉了上拉电阻R102,改为直接由I/O口控制(在采用V005版软件的机型中,软件对I/O口进行控制)。


       SiI9687外接复位电路,如图27所示,低电平复位。SiI9687_RESET是由主IC I/O口直接控制的,需要复位时,系统拉高即可将SiI_RST拉低,复位结束后将Si-19687_RESET置低即可。实测该电路的复位波形如图28所示,复位时间为21s。


2. MEMC技术
       MEMC是Motion EstimateandMotion Compensation的缩写,即运动估计和运动补偿,是高端液晶电视常用的运动画质补偿技术,其原理是采用动态映像技术,在传统的两帧图像之间加插一帧运动补偿帧,如图29所示,这样就可清除上一帧图像的残影,从而提高动态清晰度的效果,并将影像拖尾降至人眼难以感知的程度,使运动画面更加清晰流畅。


        比如原来的一副活动画面的帧顺序是1、2、3、4、5、6、 MEMC技术通过分区块,在水平和垂直两个方向上对图像的运动趋势加以分析,然后在原来各帧之间插人一个中间帧,插帧后的帧序列变为1、1C、2、2C3、3C、4、4C5、5C、6,这样原来的场频就不足以显现现在所有的帧,这时就需要将场频提高一倍,刷新频率会从普通的50/60Hz提升至100/ 120Hz,可见MEMC技术和倍频技术是分不开的。
     (1)超分辨率算法介绍
       对于超高分辨率的机型,由于LVDS传输的信号有限,所以MEMC就需要利用有限的画面信息扩展出适合超高清屏使用的数据,使画面更加清晰流畅。这部分信号处理和倍频转换既可由屏组件电路完成,也可由主板处理,或由外接PCB板处理,其工作原理均是相似的。图30是一个FHD高清信号扩展成4K2K信号的示意图,通过对2×2的LR图像信息的计算与估计,最终得到4×4的HR显示图像。运动估计算法是整个MEMC的重要部分,决定了最终图像显示效果的好坏,不同的算法适用不同画面,相关优缺点见表3。

     (2)MEMC技术的优势与缺陷
        MEMC技术的优势有:1)消除运动抖动;2)消除运动拖尾;3)具有对角线补偿功能,重显斜线图像信息时,消除了阶梯状的轮廓;4)图像清晰度增强。
        MEMC技术的缺陷有:1)MEMC是通过特定的插帧算法来实现的,这种技术本身会带来运动中图像的边缘不清晰;2)不能对各种场景下的图像都起到相应的补偿作用,当物体运动的路线无法预测时,MEMC算法有失效的可能;3)低场频的片源转成50/60Hz码流播出的图像效果不好。
      (3)MEMC电路简介
        在MS901K机芯中,其MEMC电路采用控制芯片6M40。该芯片是双核RISC处理器(RISC=Reduced In-struction Set Computing,精简指令集),支持3D-/R同步信号的相位、极性与持续时间的编程,支持最大8路PWM信号输出供扫描式背光控制使用,最大支持5组LVDS信号输入(5对信号+1对时钟信号),支持10对VB1信号输入,支持8组LVDS信粤输出(5对信号+1对时钟信号),最大支持16组VB1输出(F8组,B8)。


        MEMC电路供电系统如图31所示,其信号流程如图32所示。

        当检测到HDMI2的18脚有5V电压输入时,信号经选择IC (U403)切换后送给6M40。6M40先对信号进行识别,若是普通信号则输出送给MS901主板,处理后通过板内150MHz的高速LVDS送给6M40进行处理显示;若是4K2K信号,则6M40自行处理后输出,无需返回MS901主板。若检测不到5V电压输入,则判断信号不是HDMI,因为Sense与MHLse EN、MHL DET(MS901K中为U403_cd_sense)相连,当Sense为高电平时,同时触发MHL模式,并启动U301(RT9711)为IC提供5V供电。ARC为低压差分同轴音频输出端口。
        在DMS901及MS801机芯MEMC电路中,普遍使用的是6M30(MST6M3x系列芯片的简称)。虽然MS901和MS801机芯均支持120Hz四通道LVDS输出,但是在主板设计上只保留了两通道的LVDS输出,所以对于需要输入120Hz四通道数据时,要外接以6M30为核心的倍频板,如图33所示。


        MST6M3 x系列芯片是高度集成的ASIC (Application Specific In-tegrated Circuit,特定用途集成电路)芯片,用于LVDS输入视频的倍频,可进行.50Hz~100Hz或者60Hz到120Hz的转换,芯片集成了双通道LVDS输入、画面识别与翻转、色域空间变换和管理等电路,可实现单通道、双通道、四通道LVDS输出,具体型号与特点见表4。

        在图33中,输入的+12V电压一路经RT8110B及D 13N03LT降压变换后,输出1.03V~1.07V的VDDC_6M30电压;另一路经MP1482降压变换后,输出3.3V电压,一路供给6M30(VCC3.3V_6M30),另一路经LD1117S18降压变换后,输出1.8V电压(VCC1.8V DDR2)。
        在本电路中,有以下几点需要特别注意:
        1)MLMC板12V供电有两种,有的板是从①~④脚输入即可,但有的板①~④脚只是给屏的供电,而MEMC板的供电是从39、40输入。换用后一种板时,就需要调整主板端39、40脚的电压(电路上预留有可选元件),使之输出电压为12V。
        2)不同的6M30 IC会有不同的软件,有的软件会将软件参数存在MEMC电路中,不需要通讯也可实现倍频处理,而有的软件需要和主IC进行通讯,如果当前主板软件不支持通讯,则会导致MEMC不能工作。因此,更换MEMC板时,需按机型确认软件是否正确。
        3)很多机型的MEMC板的软件都支持USB升级。如果因其他软件导致机器不能显示画面,这时的升级可以通过在线升级工具(ISPTOOL)与MEMC板上的串口相连后抄写软件。需要注意的是,不同的MEMC板,通讯地址选择是不一样的,选错地址会无法连接,具体的地址选择如下:
       对于MST6M30QSRMST6M30RS及MST6M31 RT来讲, PC地址与GPI01的HW接法关系如下:GPI01拉高,ISP地址为94, serial debug地址为0XB8; GPI-O1拉低,SP地址为0X98 ,serial de-bug地址为0XB4。
       对于MST6M30QSC来讲,PI-01的HW的接法只能修改serialdebug的地址,SP地址固定为0X94, GPIO1拉高,serial debug地址为0XB8; GPIO1拉低,serial de-bug地址为 0XB4。
3. 4K技术
      (1)4K屏定义与优点
        4K属于新一代超高清清晰度电视(UHDTV)标准,它的标准分辨率为3840×2160,分辨率是1080P的四倍,如图34所示。


        FHD高清电视能显示207万像素的画面。在4K影院里,能看到885万像素的高清晰画面。4K分辨率的细腻度为1080p的4倍以上,视觉效果更加震撼。4K有效解决裸眼3D画面分辨率折半问题。
     (2)存储介质
        通常,一部720P分辨率的电影大小约为4GB, 1080P分辨率的一部电影大小通常在20GB左右。4K视频文件体积更大,以3840X2160,24位像素信息为例,每一帧图像的数据量为24.88MB,假设刷新率为60帧/秒,视频时长100分钟,则总视频大小为8.96TB,经过压缩处理后,估计在300GB左右。H.264的压缩方案可将4K视频压缩到50Mbps的码率,图像的质量没有明显的损失。蓝光光盘(8层可到200GB)可以承载一部4K超高清的影片。但电影容量的提升会对用户硬盘容量和目前碟片容量技术造成压力,产生新的问题。
     (3)信号的传输方式
        因线材传输能力的限制,在高清、高色彩及高刷新率等要求下,剧增的信息量需要增加更多的缆线。不断增加的线材对设计超薄显示器也是一种挑战。如要实现1080P、30bit色彩、240Hz显示,LVDS线最少需要48对,即%条数据传输线。增加信号数量意味着相应IC引脚数目的增加,即增加IC封装成本。另外,LVDS需要专用的时钟脉冲,高速率及长距离传输会导致时钟偏移,这将会增加设计的难度。
       鉴于上述原因,在4K技术中采用V-by-One信号传输方式。该方式是专门面向图像传输开发出的数字接口方式,信号的输入、输出均采用LVDS(低电压差动信号)格式,板卡的信号频率约为1 GHz。与此前的CMOS/TTL方式相比,可将传输线的数量约减少到此前的1/10,一对信号线相当于原LVDS传输的单通道,如10bit(5对差分数据+11对时钟)/75MHz下单通道传输量约为2.7Gbit/s。