粗略估計(jì)，全球已安裝的大型LED視頻顯示板已經(jīng)達(dá)到數(shù)萬(wàn)臺(tái)。隨著整體系統(tǒng)價(jià)格的下降，顯示板操作流程的簡(jiǎn)化，LED視頻顯示板必將得到進(jìn)一步普及。本文介紹一種基本的低成本LED視頻顯示模塊。這一新型設(shè)計(jì)利用廉價(jià)的FPGA芯片完成數(shù)字視頻比特流的分配，由MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成QVGA(320×240)分辨率的LED視頻顯示器。該顯示板可通過(guò)PC控制，用作輔助監(jiān)視器顯示任意文本、圖表或多媒體信息。
1 目前LED顯示卡架構(gòu)
    目前，所有頂級(jí)LED視頻顯示板廠商都在使用色彩像素尺寸不同但結(jié)構(gòu)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(nèi)。將視頻顯示模塊拼接在一起可以構(gòu)成邊長(zhǎng)達(dá)到數(shù)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(qū)動(dòng)器。另外，安裝LED驅(qū)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(hào)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后把正確的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到相應(yīng)的像素位置。視頻處理器還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存和比例調(diào)節(jié)。該應(yīng)用的控制器和視頻處理器單元屬于專業(yè)設(shè)備，價(jià)格非常高。
1.1 Maxim方案
    利用MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器的獨(dú)特功能，可以結(jié)合一片低成本、中等規(guī)模的FPGA構(gòu)建一塊LED視頻顯示板，通過(guò)PC控制整個(gè)系統(tǒng)，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(hào)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)需專業(yè)設(shè)備。

1.2 MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)特性
    MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器專為L(zhǎng)ED視頻顯示板應(yīng)用而設(shè)計(jì)。每個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器包含24路同等的恒流、PWM LED驅(qū)動(dòng)器端口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)或16個(gè)(雙模)RGB像素。為適應(yīng)視頻或靜態(tài)圖片，消除黑屏現(xiàn)象，芯片的PWM速率非常高。當(dāng)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(shù)據(jù)輸入接口包含一個(gè)LVDS時(shí)鐘和一對(duì)LVDS數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)輸出接口串聯(lián)MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器，以提供更高的數(shù)據(jù)位，同樣包含LVDS時(shí)鐘和LVDS數(shù)據(jù)對(duì)。根據(jù)視頻刷新速率和時(shí)鐘頻率，可以將數(shù)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(qū)動(dòng)器和視頻顯示模塊PCB之間可以通過(guò)幾英尺長(zhǎng)的雙絞線電纜連接在一起。
    MAX6974可通過(guò)3種方式控制每個(gè)LED的亮度。首先，每個(gè)獨(dú)立的LED(紅、綠或藍(lán))都有一個(gè)12位的PWM亮度控制器，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于DVITM接口規(guī)定的每種顏色8 bit的分辨率，其余位可用于對(duì)比度調(diào)整，以適應(yīng)不同的環(huán)境光條件；其次，7 bit PDM亮度控制用于調(diào)節(jié)所有LED驅(qū)動(dòng)端口，這些PDM位可用于亮度控制。最后，每組LED驅(qū)動(dòng)端口都帶有步長(zhǎng)為256的恒流控制(6 mA～30 mA)。這些校準(zhǔn)步長(zhǎng)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(gòu)
    該LED視頻顯示板采用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)位的分配，它還可以捕獲控制幀，直接將它們轉(zhuǎn)發(fā)到每片MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部相應(yīng)的寄存器。圖2所示為QVGA分辨率(320×240)的參考設(shè)計(jì)框圖，采用了TFP401A DVI接收器、用于存儲(chǔ)EDID的AT24C02 EEPROM、EP2C20 FPGA和9 600片MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)76 800個(gè)OVSRRGBCC3 RGB LED。

    框圖左側(cè)的DVI信號(hào)由TFP401A DVI接收器接收，AT24C02 EEPROM提供EDID給Windows?誖操作系統(tǒng)。解串后的信號(hào)和TMDS解碼信號(hào)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(duì)、CLKI(O)±、DIN(OUT)±、1個(gè)LOADI(O)引腳和1個(gè)GND(地)引腳，共6條線。每個(gè)LED顯示模塊PCB包含64片MAX6974 LED驅(qū)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(shè)計(jì)可用于隔行掃描的奇數(shù)或偶數(shù)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(shù)或偶數(shù)行，無(wú)需考慮消隱期，串行轉(zhuǎn)換(24位RGB)QVGA數(shù)據(jù)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(yīng)于MAX6974每種顏色的12 bit轉(zhuǎn)換器，有效數(shù)據(jù)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?cái)?shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流劃分成5組，然后將其發(fā)送到相應(yīng)的LVDS通道。每個(gè)LVDS通道的數(shù)據(jù)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(chǔ)8個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)的緩存器支持這一格式轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)中用緩存器存儲(chǔ)一幀視頻數(shù)據(jù)。緩存器能夠?qū)⒍嗥琈AX6974器件在PCB的兩端連接起來(lái)，避免從右到左使用較長(zhǎng)的LVDS鏈路。

    除傳遞每個(gè)端口的PWM信息外，幀頭CMD位為010101、101010和111111的3個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)MAX6974 LVDS接口傳送CALDAC、全局亮度PDM和配置信息，如表2。每個(gè)幀頭包含24 bit，第一字節(jié)為同步模板11101000，隨后是6 bit CMD和10 bit計(jì)數(shù)器值(CNTR)。每個(gè)端口PWM數(shù)據(jù)幀的CMD位是000000。

    除PWM信息外，數(shù)據(jù)幀也利用基于PC的GUI通過(guò)DVI接口發(fā)送。數(shù)據(jù)幀類(lèi)型由FPGA內(nèi)部的相應(yīng)電路識(shí)別。在一個(gè)控制視頻幀內(nèi)，0至1行的每個(gè)像素都包含24 bit幀頭配置信息(HDR)；第32行和33行包含全局亮度PDM的幀頭信息，第64行和65行包含CALDAC的幀頭信息。本參考設(shè)計(jì)中，每組2行幀頭之后的30行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于LED顯示模塊PCB的30行信息。每個(gè)特定的LVDS列提供每行64像素的信息，用于傳輸每塊LED顯示模塊PCB上64片MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器的信息。每片MAX6974器件的每個(gè)像素包括24 bit控制信息，視頻幀控制中不使用95行以上的數(shù)據(jù)。
1.5 視頻顯示板控制GUI
      GUI如圖3，用于配置參考設(shè)計(jì)中所有MAX6974的全局亮度PDM和CALDAC寄存器。GUI包括一個(gè)全局設(shè)置選項(xiàng)，用于調(diào)節(jié)視頻顯示板上所有芯片的相關(guān)參數(shù)，還包含一個(gè)器件制表符，用于調(diào)節(jié)每個(gè)芯片的參數(shù)。所有寄存器和MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置可以存儲(chǔ)到一個(gè)文件，當(dāng)視頻顯示板運(yùn)行時(shí)下載數(shù)據(jù)。提供一個(gè)初始化設(shè)置文件，其中包括典型的寄存器參數(shù)的初始設(shè)置，大大簡(jiǎn)化了視頻顯示板的初始化過(guò)程。

      GUI作為一個(gè)獨(dú)立的操作窗口出現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)。一旦使能GUI上的Write按鈕，它將創(chuàng)建一個(gè)視頻控制幀并將其發(fā)送到視頻顯示板。視頻控制幀只能按照60 Hz的視頻刷新率顯示。視頻控制幀也會(huì)占據(jù)視頻顯示板的整個(gè)屏幕；而FPGA會(huì)檢測(cè)控制幀頭行并將相應(yīng)的信息發(fā)送到MAX6974寄存器。因此，視頻控制幀的內(nèi)容不會(huì)顯示在視頻顯示板上。雖然視頻幀刷新時(shí)也會(huì)傳遞控制信息，但人眼不會(huì)注意到這些更新。
2 方案實(shí)施
    DVI接收板包括TFP401 DVI接收器和AT24C02 EEPROM，另外還有幾個(gè)旁路電容。TFP401 DVI接收器實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換和TMDS解碼，并保證在半像素時(shí)鐘速率下同時(shí)得到RGB位的奇、偶像素。因?yàn)镈VI決定屏幕的最小分辨率是VGA，參考設(shè)計(jì)消除了每個(gè)鄰近像素，支持隔行掃描。半像素時(shí)鐘對(duì)于FPGA非常便利，允許其挑選所需要的像素。在Windows操作系統(tǒng)識(shí)別顯示器之前，通過(guò)DDC按照I2C協(xié)議檢測(cè)顯示器。然后，該顯示器響應(yīng)其EDID，包含制造商信息和操作信息。同樣，AT24C02 EEPROM用于儲(chǔ)存LED視頻顯示板的EDID信息。制造商ID必須從視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(VESA)獲取，本參考設(shè)計(jì)中，借用DVI LCD顯示器的EDID，儲(chǔ)存在AT24C02 EEPROM中。當(dāng)所有的3個(gè)地址引腳接地時(shí)，AT24C02 EEPROM的I2C地址是0x0A，這是操作系統(tǒng)將要搜索的地址。
    FPGA板主要包括2個(gè)SRAM和1片Altera?誖FPGA器件。FPGA內(nèi)部具有LVDS接口和存儲(chǔ)器讀取功能。該參考設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA主要用于DVI數(shù)字視頻信息的輸出分配。FPGA的另一重要作用是識(shí)別數(shù)據(jù)幀配置、全局亮度PDM和CALDAC信息。當(dāng)識(shí)別到視頻控制幀時(shí)，這些數(shù)據(jù)幀中除了獨(dú)立的PWM信息外，都被接收下來(lái)并直接發(fā)送到相應(yīng)的MAX6974寄存器。
    圖4給出了FPGA的內(nèi)部功能電路，一幀像素的數(shù)據(jù)位存儲(chǔ)在SRAM緩存內(nèi)。FPGA內(nèi)部的行緩存器用于連接TFP401A DVI接收機(jī)和LVDS通道。兩行緩存器，一行用于接收TFP401A接收的數(shù)據(jù)位，連接SRAM的另一行緩存器用于接收TFP401A DVI接收機(jī)的數(shù)據(jù)。同樣，兩行緩存器用于每個(gè)LVDS通道。FPGA提供完整的邏輯電路使DVI和LVDS數(shù)據(jù)吞吐率保持一致，并提供所要求的SRAM數(shù)據(jù)、地址以及控制信號(hào)的時(shí)序。因?yàn)镾RAM為單端口，同時(shí)進(jìn)行讀、寫(xiě)操作時(shí)需要在FPGA內(nèi)部配置存儲(chǔ)器訪問(wèn)。

    每片MAX6974驅(qū)動(dòng)8個(gè)RGB LED，每個(gè)顯示模塊包含64個(gè)MAX6974 LED驅(qū)動(dòng)器，按照8行、8列分布，另外還有8行、64列的512個(gè)RGB LED。所有LED安裝在PCB的一側(cè)，LED中心距離為8 mm(上、下、左、右間距)，顯示模塊電路板尺寸為512 mm×64 mm。所有MAX6974器件都安裝在PCB的另一側(cè)。在安裝MAX6974器件的一側(cè)，鋪設(shè)電源和地線，包括1×6接頭，共需2組1×6接頭：一個(gè)用于左上角的LVDS輸入接口，另一個(gè)用于左下角的LVDS輸出接口。顯示模塊電路板可以嵌在視頻顯示板框架上，所有互聯(lián)板都安裝在框架內(nèi)。鄰近LED顯示模塊PCB之間的LVDS接口不需要額外引線。
3 功耗
    3.3 V VCC供電時(shí)，每片MAX6974的工作電流為28 mA(CALDAC關(guān)閉)或54 mA(CALDAC使能)。一個(gè)LED顯示模塊PCB上包含64個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，工作電流為1.8 A或3.5 A。采用5 V VLED供電時(shí)，MAX6974每個(gè)端口提供的最大LED電流為30 mA。512個(gè)RGB LED顯示模塊的最大電流為46 A，需要多個(gè)3.3 V和5 V電源為整個(gè)視頻顯示板供電。