基于LED的視頻顯示板設(shè)計(jì)
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1 目前LED顯示卡架構(gòu)
目前，所有頂級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)動器。另外，安裝LED驅(qū)動器的PCB上還安裝有FPGA和視頻緩存芯片。在一個視頻墻中，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(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，價格非常高。
1.1 Maxim方案
利用MAX6974 LED驅(qū)動器的獨(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PC控制整個系統(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，無需專業(yè)設(shè)備。
1.2 MAX6974 LED驅(qū)動特性
MAX6974 LED驅(qū)動器專為LED視頻顯示板應(yīng)用而設(shè)計(jì)。每個LED驅(qū)動器包含24路同等的恒流、PWM LED驅(qū)動器端口，可驅(qū)動8個或16個(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，PWM速率約為7 680 Hz。MAX6974的數(shù)據(jù)輸入接口包含一個LVDS時鐘和一對LVDS數(shù)據(jù)，也可以通過數(shù)據(jù)輸出接口串聯(lián)MAX6974 LED驅(qū)動器，以提供更高的數(shù)據(jù)位，同樣包含LVDS時鐘和LVDS數(shù)據(jù)對。根據(jù)視頻刷新速率和時鐘頻率，可以將數(shù)百片MAX6974器件通過LVDS接口連接在一起。利用這個接口，LED驅(qū)動器和視頻顯示模塊PCB之間可以通過幾英尺長的雙絞線電纜連接在一起。
MAX6974可通過3種方式控制每個LED的亮度。首先，每個獨(dú)立的LED(紅、綠或藍(lán))都有一個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)動端口，這些PDM位可用于亮度控制。最后，每組LED驅(qū)動端口都帶有步長為256的恒流控制(6 mA～30 mA)。這些校準(zhǔn)步長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EDID的AT24C02 EEPROM、EP2C20 FPGA和9 600片MAX6974 LED驅(qū)動器，用于驅(qū)動76 800個OVSRRGBCC3 RGB LED。
框圖左側(cè)的DVI信號由TFP401A DVI接收器接收，AT24C02 EEPROM提供EDID給Windows?R操作系統(tǒng)。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5個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個差分對、CLKI(O)±、DIN(OUT)±、1個LOADI(O)引腳和1個GND(地)引腳，共6條線。每個LED顯示模塊PCB包含64片MAX6974 LED驅(qū)動器和512個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接收到的每個像素按照每行從左到右、每幀從上到下依次傳遞。MAX6974每個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。需要一個至少存儲8個像素?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，避免從右到左使用較長的LVDS鏈路。
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