基于LED的視頻顯示板設計
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1 目前LED顯示卡架構
目前，所有頂級LED視頻顯示板廠(chǎng)商都在使用色彩像素尺寸不同但結構類(lèi)似的LED視頻顯示屏。視頻顯示模塊像素大約在256～15 552范圍內。將視頻顯示模塊拼接在一起可以構成邊長(cháng)達到數米的視頻墻。每塊視頻顯示模塊帶有不同的PCB，PCB上安裝了LED及其驅動(dòng)器。另外，安裝LED驅動(dòng)器的PCB上還安裝有FPGA和視頻緩存芯片。在一個(gè)視頻墻中，視頻顯示模塊之間通常采用同軸電纜連接。視頻墻通過(guò)光纖連接到控制和視頻處理單元?？刂茊卧糜谂渲眠@些視頻顯示模塊、正確選擇視頻源。視頻處理器接收所選擇的視頻信號，進(jìn)行格式轉換后把正確的數據信息發(fā)送到相應的像素位置。視頻處理器還需要進(jìn)行數據緩存和比例調節。該應用的控制器和視頻處理器單元屬于專(zhuān)業(yè)設備，價(jià)格非常高。
1.1 Maxim方案
利用MAX6974 LED驅動(dòng)器的獨特功能，可以結合一片低成本、中等規模的FPGA構建一塊LED視頻顯示板，通過(guò)PC控制整個(gè)系統，如圖1。利用一塊額外的視頻接口PC卡可以支持不同的視頻信號源，從而組成完整的LED視頻顯示板，只需要很少的電子元件，無(wú)需專(zhuān)業(yè)設備。
1.2 MAX6974 LED驅動(dòng)特性
MAX6974 LED驅動(dòng)器專(zhuān)為L(cháng)ED視頻顯示板應用而設計。每個(gè)LED驅動(dòng)器包含24路同等的恒流、PWM LED驅動(dòng)器端口，可驅動(dòng)8個(gè)或16個(gè)(雙模)RGB像素。為適應視頻或靜態(tài)圖片，消除黑屏現象，芯片的PWM速率非常高。當視頻刷新速率為60 f/s(每秒幀)時(shí)，PWM速率約為7 680 Hz。MAX6974的數據輸入接口包含一個(gè)LVDS時(shí)鐘和一對LVDS數據，也可以通過(guò)數據輸出接口串聯(lián)MAX6974 LED驅動(dòng)器，以提供更高的數據位，同樣包含LVDS時(shí)鐘和LVDS數據對。根據視頻刷新速率和時(shí)鐘頻率，可以將數百片MAX6974器件通過(guò)LVDS接口連接在一起。利用這個(gè)接口，LED驅動(dòng)器和視頻顯示模塊PCB之間可以通過(guò)幾英尺長(cháng)的雙絞線(xiàn)電纜連接在一起。
MAX6974可通過(guò)3種方式控制每個(gè)LED的亮度。首先，每個(gè)獨立的LED(紅、綠或藍)都有一個(gè)12位的PWM亮度控制器，遠遠高于DVITM接口規定的每種顏色8 bit的分辨率，其余位可用于對比度調整，以適應不同的環(huán)境光條件；其次，7 bit PDM亮度控制用于調節所有LED驅動(dòng)端口，這些PDM位可用于亮度控制。最后，每組LED驅動(dòng)端口都帶有步長(cháng)為256的恒流控制(6 mA～30 mA)。這些校準步長(cháng)用于配置不同溫度下所要求的視頻顏色。
1.3 基于MAX6974的LED視頻顯示板架構
該LED視頻顯示板采用一片FPGA實(shí)現視頻數據位的分配，它還可以捕獲控制幀，直接將它們轉發(fā)到每片MAX6974 LED驅動(dòng)器內部相應的寄存器。圖2所示為QVGA分辨率(320×240)的參考設計框圖，采用了TFP401A DVI接收器、用于存儲EDID的AT24C02 EEPROM、EP2C20 FPGA和9 600片MAX6974 LED驅動(dòng)器，用于驅動(dòng)76 800個(gè)OVSRRGBCC3 RGB LED。
框圖左側的DVI信號由TFP401A DVI接收器接收，AT24C02 EEPROM提供EDID給Windows?R操作系統。解串后的信號和TMDS解碼信號發(fā)送到EP2C20。重新編排視頻位，通過(guò)5個(gè)LVDS通道以32 Mb/s的速度傳遞到LED視頻模塊PCB列。每路LVDS包含2個(gè)差分對、CLKI(O)±、DIN(OUT)±、1個(gè)LOADI(O)引腳和1個(gè)GND(地)引腳，共6條線(xiàn)。每個(gè)LED顯示模塊PCB包含64片MAX6974 LED驅動(dòng)器和512個(gè)OVSRRGBCC3 RGB LED。
1.4 視頻流分配和視頻幀控制
DVI最低分辨率是VGA，該QVGA參考設計可用于隔行掃描的奇數或偶數像素。TFP401A DVI接收器的半像素時(shí)鐘速率為12.5 MHz，消隱期占用大約40%。由于MAX6974接口只用于奇數或偶數行，無(wú)需考慮消隱期，串行轉換(24位RGB)QVGA數據速率為12.5/2/1.4×24=107.14285 Mb/s?？紤]到DVI每種顏色8 bit分辨率，相應于MAX6974每種顏色的12 bit轉換器，有效數據速率為(107.142857/8)×12=160.714286 Mb/s。FPGA緩存來(lái)自TFP401A DVI接收器的像素數據流，數據流劃分成5組，然后將其發(fā)送到相應的LVDS通道。每個(gè)LVDS通道的數據速率為160.714286/5=32.1428571 Mb/s。
TFP401A DVI接收到的每個(gè)像素按照每行從左到右、每幀從上到下依次傳遞。MAX6974每個(gè)PWM幀格式要求相同的顏色信息，以8像素為一組傳輸，如表1。需要一個(gè)至少存儲8個(gè)像素數據的緩存器支持這一格式轉換?？紤]到隔行掃描以及消隱，為了保持LVDS通道固定的傳輸速率，參考設計中用緩存器存儲一幀視頻數據。緩存器能夠將多片MAX6974器件在PCB的兩端連接起來(lái)，避免從右到左使用較長(cháng)的LVDS鏈路。
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