HDMI螢幕 沒畫面-邏輯分析儀抓誰有問題

前陣子我買了 HDMI螢幕 來當攝影機的監視器，只是當我把攝影機接上去的時候，HDMI螢幕 卻沒畫面，這螢幕新買的耶! 到底是怎麼回事呢? 我們一起來看看。

HDMI螢幕 問題歸納

為了找出問題，我做了一些測試，歸納出了有畫面與沒畫面的狀況如下圖，你可以看到紅色步驟跟藍色步驟。

• 藍色步驟，螢幕與攝影機都先上電，最後再把HDMI cable接上去，這樣的次序就會沒畫面
• 紅色步驟，HDMI cable與螢幕、攝影機都先接好，攝影機先上電，螢幕最後上電，這樣就會有畫面。如果在有畫面的情況把Cable重新插拔，則會回到藍色步驟，這樣就變成沒畫面。

這真的太奇怪了，HDMI cable插拔是很常見的動作，但現在卻會在插拔之後出現沒畫面的問題，我心想這應該是螢幕的問題吧。

原本我是打算直接把螢幕送修，但是在送修之前，我總覺得要先確認一下是否真的是螢幕的問題。所以我就拿了樹梅派來試，結果樹梅派的HDMI接上去，Wow! 完全沒有問題，無論HDMI Cable如何插拔也都沒問題，這樣要拿去送修是會有爭議的。

HDMI螢幕 通訊小知識

既然送修可能會有爭議，所以我決定自己來找找到底是哪裡有問題。動手之前，先來點勤前教育，如下圖左右兩邊分別代表攝影機和螢幕的HDMI插座。HDMI cable在插上去的瞬間，攝影機和螢幕會先做溝通，目的是用來確認待會兒要用哪種訊號格式傳送，確認後攝影機才會依照協議送影像訊號。

它們之間的通訊大概是這樣，首先要確認HDMI cable有接好，所以攝影機會先透過Pin 18提供+5V給螢幕，如果線有接好，那麼螢幕內部會有一個1k ohm電阻把5V傳到Pin 19的HotPlug腳位上，這樣攝影機就知道Cable已經接好了，但螢幕仍然保有HotPlug的控制權，必要的時候會將HotPlug拉為0V。

接著攝影機要開始詢問該送哪種影像格式了，這是透過Pin15、16的DDC(Display Data Channel)來達成，這兩根腳位使用的通訊協定是I2C，實際傳送的資料稱為EDID。如果這個資料有問題，那當然就會直接影響攝影機的行為囉，我猜可能是這個步驟出了問題才讓螢幕沒畫面，所以我打算把這些訊號抓出來看看。

那該用甚麼儀器來觀察這些訊號呢? 答案是邏輯分析儀，因為它能擷取的資料很長，所謂很長大概是7 sec左右的時間，當然有人可能會想要用示波器，而一般示波器的紀錄長度Record length非常有限，不適合抓太長的時間，我這次大約需要擷取7 sec的訊號，這對示波器來說時間太長了。

另外我選邏輯分析儀的原因還有，我需I2C通訊協定的分析功能，將來才方便判讀資料，雖然我可以憑肉眼解讀I2C的內容，但是EDID的資料有256 Bytes，全部看完波形的話眼睛會看到脫窗，因此需要藉助通訊協定分析軟體來幫忙，這只有邏輯分析儀才有這種功能。

觀察DDC與HotPlug

為了把HDMI的腳位跳接出來，所以我特地去買了下圖這種HDMI測試板，方便我把訊號線跳接出來，目前我想觀察Pin15、16、18、19共四條線，但別忘了還需要加一條GND線才能做測試喔，這樣這四條訊號線才有參考電位0V可以用。為了節省篇幅，後面我不會講邏輯分析儀的操作，只會直接Show結果，接著我們來看一下時序圖，分別是下正常與不正常的圖。

1 樹梅派接螢幕

先來看一下樹梅派正常的時序圖，如下圖，下半部是擷取訊號的總區間，上半部是其中一段的Zoom in訊號，這兩部分訊號都有5列，次序都相同，從上到下都分別是I2C分析、SDA、SCL、+5V以及HotPlug。

你可以發現樹梅派接螢幕的時候，樹梅派只會問一次EDID的資料，之後螢幕就有畫面了，整個時序圖就是非常的乾淨簡約。

2 攝影機接螢幕-Cable重插拔

再來看攝影機的不正常時序圖，如下圖，這是把HDMI cable故意重新插拔之後，得到的時序圖。你看下半部的總區間出現了三次的EDID詢問，在第一次詢問之後，HotPlug就一直被週期性的拉Low再拉High，因此攝影機就認為Cable被重新插拔，它就會再問一次EDID，共問了三次，事實上這個動作會不斷的循環重複，而螢幕也一直沒有畫面，由於攝影機的+5V供電不會有變化，所以這HotPlug的跳動一定是螢幕拉的，剛才我有說螢幕仍保有HotPlug的控制權，那問題就變成：螢幕為何要把HotPlug拉Low?

3 攝影機接螢幕-螢幕重上電

剛才有說，如果要讓螢幕有畫面，只要螢幕是最後一個上電就行，所以我們也來看看這種情況的時序圖，如下圖，我們來看一下。

下方的橘色線就是+5V，由於HDMI cable一直都插著，所以+5V都維持High。而黃色軌跡的HotPlug，由於螢幕有Power off然後再On，所以Hot plug就被拉Low了一下，然後再High，黃色圓圈就是它變成High的地方，之後攝影機就開始詢問EDID的資料，螢幕也確實回傳了資料，畫面也播出了，整個時序圖就是乾淨俐落。

時序圖比較

如果我們把上面三種時序圖拿來比較，只有第二種會沒畫面，而且也只有第二種的HotPlug會亂跳，所以我可以合理懷疑HotPlug和沒畫面有直接的關係，當然也可以進一步推論，會不會是EDID的資料有問題導致Hot plug亂跳，所以我還真的去看了EDID的資料，如下圖。

攝影機詢問EDID資料的時候，會以0x30、0x50來作為詢問的位址，這個位址是DDC定義的，之後螢幕就會回傳EDID的資料給攝影機，如上圖你可以看到0x00 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0x00等資料，這些就是EDID的檔頭，它其實就是I2C Read得到的資料，最後攝影機就會以最高解析度來做傳送。

由於EDID全部有256個Byte，基本上不太可能用肉眼比對，更不用講說想用示波器來解讀，別鬧了。所以我是用邏輯分析儀的匯出功能，再用試算表來做比對，這樣才會方便快速。

三種時序圖的EDID經過比對之後，結果是資料完全一樣，所以我判斷HotPlug會跳來跳去，跟EDID的內容是無關的。

觀察CEC訊號

如果DDC的EDID資料不是問題，那我只好懷疑CEC了，它是HDMI上的第13腳，也是能傳資料的，家庭劇院的一鍵操作就是靠它，我們一樣用邏輯分析儀來看CEC訊號，但我內心其實並不認為它是個問題，只不過越不會被懷疑的東西，有時候偏偏就是它，所以我們還是來看一下。

樹梅派沒有CEC

首先來看正常的樹梅派HDMI訊號，抓了訊號之後才知道原來樹梅派沒有CEC訊號，下圖第一列的訊號就是CEC波形，從頭到尾都是High的狀態，所以完全沒有CEC訊號。

攝影機有CEC

再來看攝影機的CEC訊號，用邏輯分析儀抓訊號之後，果然在下圖中可以看到第一列的CEC訊號有東西出來了，上方第一列有橘色藍色的部分是解析過後的CEC資料內容，下方第一列深綠色的部分是訊號的總區間，你可以看到CEC訊號出現後沒多久，最後一列的黃色HotPlug馬上被拉Low，以因果論來說的話，CEC似乎有可能會影響HotPlug。

切斷CEC的時序圖

要判斷CEC是否真的影響HotPlug的最好方法，就是把CEC切斷，然後再做一次實驗馬上就知道了。所以我拿了另一個HDMI測試板，把上面的CEC銅箔用刀片切斷，如下圖。眼尖的你可能會發現我怎麼會切在Pin 7，CEC不是應該要在Pin 13才對嗎? 那是因為這塊測試板它印錯了，但實際不影響測試，所以網路上買東西還是要小心一點，我也是中招搞了好久才發現它印錯。

CEC切斷之後將測試板接上螢幕，再抓一次訊號如下圖，你可以看到CEC訊號真的不見了，第一列的CEC一直維持在Low，但是無奈HotPlug仍然一直在跳，螢幕也仍然沒有畫面，這表示CEC和沒畫面的問題是無關的。

觀察TMDS

到目前為止都沒有發現沒畫面的原因，我其實有點挫折，HDMI裡面的DDC、CEC以及+5V剛才都找過了，也證實沒畫面和它們無關，只知道和HotPlug應該有關，但HotPlug是螢幕控制的，難道會和HDMI的主通道TMDS有關?

TMDS它傳送的是影音訊號，它共有四組線，三組資料線，一組時脈線，每組都是高速訊號，在1920×1080的解析度之下，頻率可以高達74.5MHz，由於是高速訊號，它們採用的電子訊號格式是差分訊號Differential signal，而不是低速訊號使用的單端訊號Single end signal。若要將TMDS這種高頻訊號接入邏輯分析儀，要考慮下列幾個點：

• 跳接高頻訊號可能會影響傳輸線的特徵阻抗，造成訊號衰減而誤動作
• 邏輯分析儀不接受差分訊號

但在好奇心的驅使之下，所以即便我知道會有上述種種困難，我還是決定要把TMDS硬接上邏輯分析儀，原因是我並沒有要看TMDS的內容資料，我只是要看它何時出現，所以在頻率的部分，我會維持1MHz的取樣率，用這個頻率對74.5MHz的訊號做取樣，想當然爾這無法觀察到TMDS的內容，因為那可是隔了好幾個Cycle才會取樣一次，但如果TMDS有資料的話，分析儀一定會抓到High或Low，理論上High/Low應該會大約一半一半，軟體上就會看到密密麻麻的帶狀波形。

再來邏輯分析儀並不是設計給差分訊號使用的，關於這一點，我並沒有打算要將Differential signal轉換成Single end signal再接入邏輯分析儀，我打算直接把差分訊號的其中一條線接在邏輯分析儀上，也就是把它當成單端訊號來看待。

這台邏輯分析儀的訊號臨界值我設定為1.65V，也就是3.3V的一半，由於TMDS是貼著3.3V做擺盪，所以我必須把臨界值改為3.05V，如下圖，至於把訊號跳接出來之後，會不會影響原來的訊號? 一定會! 只是影響多大而已，對我來說只要畫面能播出來，就是沒影響，所以就賭賭看囉，如果有畫面，而且邏輯分析儀也抓得到訊號，那就是三生有幸。

為了要觀察TMDS高速訊號，為了避免波形變形太多，我用雙絞線做連接，盡量讓訊號線和GND貼在一起。另外邏輯分析儀的臨界值設定也和低速訊號不同，要設定為3.05V，所以TMDS要接到另一組Port，因為每組Port只能共用一種臨界值，我選Port D的D4與GND腳位。

我們接下來的實驗就只針對攝影機來做，這樣才能保證是相同的硬體，在不同操作程序之下，出現不同的波形。

正常的波形-螢幕重新上電

先來看一下正常的波形，這要用螢幕最後上電的手法來得到，如此螢幕就會有畫面，抓到的波形如下，最下方的綠色波形就是TMDS，果然如預期的有個帶狀的波形，它發生在EDID出現之後，HotPlug也沒有跳來跳去，這就是一個很乾淨的波形。

不正常的波形-HDMI cable重插拔

接著來看不正常的波形，也就是故意重新插拔HDMI cable，螢幕一樣是沒畫面，你可以看到最後一列的TMDS訊號，攝影機明顯就是一副欲言又止的樣子，TMDS竟然會自己變成Low，而且是發生在HotPlug被拉Low之前，這太奇怪了，彷彿TMDS有預知能力。

整體來看TMDS就是輸出不完全，它沒有一個長時間的帶狀訊號，所以螢幕當然就解不出畫面來。根據之前的實驗，有畫面與沒畫面的差別在HotPlug最明顯，雖然這次TMDS異常的地方在Hot plug拉Low之前，但是我認為TMDS應該有受到Hot plug的影響，Why?

因為邏輯分析儀僅依靠臨界點Threshold來判斷0與1，它的波形只能是High或Low，它並不像示波器可以完整顯示各種電壓的波形，所以如果HotPlug的5V在波形上有任何凹陷的地方，但又沒有低於Threshold，那麼這時候在邏輯分析儀上是看不出任何異狀的，但這些凹陷的地方可能會被攝影機判為訊號，因而誤動作。所以如果在這個時間點上能有示波器輔助觀察，那是最好的，但偏偏我今天沒有示波器在手邊。

其實這台螢幕與攝影機，我有試過拿它們與其它裝置連接，都是沒問題的，獨獨它們兩台互接的時候會出問題，既然前述的各種技術手段都無法確認原因，那我只能說它們兩個八字不合，既然螢幕示新買的，那我就來看看能否從螢幕原廠這裡找到解法。

HDMI螢幕 解決方案

現在3C產品動不動就要我們更新軟體，我就來看看原廠網站是不是也有這款螢幕的韌體Firmware，雖然我也從來沒看過螢幕有在更新Firmware的，但Firmware程式會直接影響到裝置的行為，所有的相容性問題幾乎都跟Firmware有關，所以我還是來找看看。

經過查詢果然沒有Firmware可以下載，僅有的下載點是Windows系統的驅動程式，這跟我的問題無關，但我同時發現有”常見問題”這個頁籤，於是我就進去看看，發現有個敘述跟我很類似，主要就是講HDMI的輸入自動切換Input Auto Switch要設定為ON，如下圖。

但我的螢幕在Input Auto Switch這個選項早就已經是ON了，那這樣我不如把它OFF來看看，所以我就這麼做了。

設定成OFF之後，我再次把HDMI cable重新插拔，想看看是否有畫面，等啊等的還是沒畫面，唉! 好失望，讓我把MENU點開來吧，就在我伸手觸碰MENU鍵的時候，畫面出現了! 這是巧合還是真的需要按鍵。

於是我又試了一次，重新插拔之後，這次不等畫面了，直接按螢幕的MENU鍵，畫面果然出現了，所以看來把Input Auto Switch設定為OFF真的有改變螢幕的行為，至少在HDMI cable重插拔之後，我只要按一次MENU按鍵就可以讓畫面出現，對比之前需要按兩次電源鍵，一次OFF一次ON，算是有點進步。

解決方案，從按2次變成按1次，算是解決了我50%的問題，對我來說是可以接受的，因為目前我也沒有其他方案可以選了，就接受吧。

當然有些朋友也建議我可以再進一步這樣做那樣做，其實當然都可以做，只不過再繼續做下去的話，就比較偏研究性質了，這屬於長期的Debug能力累積，願意這樣做的話其實很好；但我的需求屬於想要短期見效的，只要能用的解法我就先拿來用了，我的目的是先講求效果才看有沒有傷身體，一起分享給各位。

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