摘  要： 目前,，所有頂尖視頻顯示板生產(chǎn)商都在使用不同色彩像素尺寸的LED視頻顯示模塊，結(jié)構(gòu)相似但又各具特色,。將Maxim獨(dú)特的LED視頻顯示技術(shù)應(yīng)用于這一領(lǐng)域,，推出了MAX6974 LED驅(qū)動器，并結(jié)合低成本,、中等規(guī)模的FPGA芯片提供了一個(gè)基于LED視頻顯示板的參考設(shè)計(jì),。
關(guān)鍵詞： LED顯示屏；視頻,；LED驅(qū)動器,；MAX6974

    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)萬臺。隨著整體系統(tǒng)價(jià)格的下降,，顯示板操作流程的簡化,，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)動器構(gòu)成QVGA(320×240)分辨率的LED視頻顯示器。該顯示板可通過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(gè)視頻墻中，視頻顯示模塊之間通常采用同軸電纜連接,。視頻墻通過光纖連接到控制和視頻處理單元,。控制單元用于配置這些視頻顯示模塊,、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(jià)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(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(gè)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(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(shí)鐘和LVDS數(shù)據(jù)對,。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LVDS接口連接在一起,。利用這個(gè)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(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(gè)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?誖操作系統(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(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。每個(gè)LED顯示模塊PCB包含64片MAX6974 LED驅(qū)動器和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,。考慮到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(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,。

    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DVI接口發(fā)送,。數(shù)據(jù)幀類型由FPGA內(nèi)部的相應(yīng)電路識別,。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)動器的設(shè)置可以存儲到一個(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,，大大簡化了視頻顯示板的初始化過程,。

      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。視頻控制幀也會占據(jù)視頻顯示板的整個(gè)屏幕,；而FPGA會檢測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)容不會顯示在視頻顯示板上,。雖然視頻幀刷新時(shí)也會傳遞控制信息,，但人眼不會注意到這些更新,。
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)識別顯示器之前,，通過DDC按照I2C協(xié)議檢測顯示器,。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(VESA)獲取,，本參考設(shè)計(jì)中，借用DVI LCD顯示器的EDID,，儲存在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別數(shù)據(jù)幀配置,、全局亮度PDM和CALDAC信息,。當(dāng)識別到視頻控制幀時(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),、地址以及控制信號的時(shí)序。因?yàn)镾RAM為單端口,，同時(shí)進(jìn)行讀、寫操作時(shí)需要在FPGA內(nèi)部配置存儲器訪問,。

    每片MAX6974驅(qū)動8個(gè)RGB LED,，每個(gè)顯示模塊包含64個(gè)MAX6974 LED驅(qū)動器，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。
參考文獻(xiàn)
[1] MAX6974數(shù)據(jù)手冊.Maxim集成產(chǎn)品公司.2006.