基于MAX6974 LED驅(qū)動器與FPGA芯片的LED視頻顯示板設(shè)計

概述

粗略估計，全球安裝的大型LED視頻顯示板已經(jīng)達到數(shù)萬臺。隨著整體系統(tǒng)價格的下降，顯示板操作流程的簡化，LED視頻顯示板必將得到進一步的普及。本應(yīng)用筆記介紹了一種基本的低成本LED視頻顯示模塊。這一新型設(shè)計利用廉價的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 x 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。

目前的LED顯示板架構(gòu)

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。視頻顯示模塊像素尺寸大約在256至15552范圍內(nèi)，由廠商決定。將視頻顯示模塊拼接在一起可以構(gòu)成邊長達到數(shù)米的視頻墻(圖1)。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。

對于一個視頻墻，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，價格可能非常高。

圖1. 目前LED視頻顯示板的系統(tǒng)架構(gòu)

Maxim方案

利用MAX6974 LED驅(qū)動器的獨特功能，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)(圖2)。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。

圖2. 基于MAX6974的LED視頻顯示板系統(tǒng)架構(gòu)

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。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60fps (每秒幀)時，PWM速率約為7680Hz。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可通過三種方式控制每個LED的亮度。首先，每個獨立的LED (紅、綠或藍)都有一個12位的PWM亮度控制器，遠遠高于DVI?接口規(guī)定的每種顏色8位的分辨率，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位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(6mA至30mA)。這些校準步長用于配置不同溫度下所要求的視頻顏色。

基于MAX6974的LED視頻顯示板架構(gòu)詳細設(shè)計

該LED視頻顯示板參考設(shè)計采用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)為的分配，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3所示為QVGA分辨率(320 x 240)的參考設(shè)計框圖，采用了TFP401A DVI接收器、用于存儲EDID的AT24C02 EEPROM、EP2C20 FPGA和9600片MAX6974 LED驅(qū)動器，用于驅(qū)動76,800個OVSRRGBCC3 RGB LED。

圖3. 參考設(shè)計功能框圖

框圖左側(cè)的DVI信號由TFP401A DVI接收器接收，AT24C02 EEPROM提供EDID給Windows?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32Mbps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)±、一個LOADI(O)引腳和一個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。

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12.5MHz。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 = 107.142857Mbps?？紤]到DVI每種顏色8位分辨率，相應(yīng)于MAX6974每種顏色的12位轉(zhuǎn)換器，有效數(shù)據(jù)速率為107.142857/8 × 12 = 160.714286Mbps。FPGA緩存來自TFP401A DVI接收器的像素數(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 = 32.1428571Mbps。

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(表1)。需要一個至少存儲8個像素數(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)計中用緩存器存儲一幀視頻數(shù)據(jù)。緩存器可能夠?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。

表1. MAX6974單個PWM數(shù)據(jù)幀格式

除傳遞每個端口的PWM信息外，幀頭CMD位為010101、101010和111111的三個數(shù)據(jù)幀通過MAX6974 LVDS接口傳送CALDAC、全局亮度PDM和配置信息(表2)。每個幀頭包含24位，第一字節(jié)為同步模板11101000，隨后是6位CMD和10位計數(shù)器值(CNTR)。每個端口PWM數(shù)據(jù)幀的CMD位是000000。

表2. MAX6974數(shù)據(jù)幀頭格式

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。與PWM信息無關(guān)的數(shù)據(jù)幀格式如表3所示，HDR代表幀頭。注意，每個端口PWM信息的視頻幀不包括幀頭。

表3. 視頻顯示參考設(shè)計，數(shù)據(jù)幀屏幕格式

表3介紹了320列像素和96行像素視頻幀控制。1至5 LVDS通道分別傳輸0至63列、64至127列、128至191列、192至255列以及256至319列的視頻和控制信息。在一個控制視頻幀內(nèi)，0至1行的每個像素都包含24位幀頭配置信息(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器件的每個像素包括24位控制信息，視頻幀控制中不使用95行以上的數(shù)據(jù)。

視頻顯示板控制GUI

GUI (圖4)用于配置參考設(shè)計中所有MAX6974的全局亮度PDM和CALDAC寄存器。GUI包括一個全局設(shè)置選項，用于調(diào)節(jié)視頻顯示板上所有芯片的相關(guān)參數(shù)，還包含一個器件制表符，用于調(diào)節(jié)每個芯片的參數(shù)。所有寄存器和MAX6974 LED驅(qū)動器的設(shè)置可以存儲到一個文件，當(dāng)視頻顯示板運行時下載數(shù)據(jù)。提供一個初始化設(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。

圖4. MAX6974視頻顯示板的GUI

GUI作為一個獨立的操作窗口出現(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60Hz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。雖然視頻幀刷新時也會傳遞控制信息，但人眼不會注意到這些更新。

方案實施

DVI接收板包括TFP401A DVI接收器和AT24C02 EEPROM，另外還有幾個旁路電容(圖5)。TFP401A DVI接收器實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換和TMDS解碼，并保證在半像素時鐘速率下同時得到RGB位的奇、偶像素。因為DVI決定屏幕的最小分辨率是VGA，參考設(shè)計消除了每個鄰近像素，支持隔行掃描。半像素時鐘對于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I?C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)準協(xié)會(VESA)獲取，本參考設(shè)計中，借用DVI LCD顯示器的EDID，儲存在AT24C02 EEPROM中。當(dāng)所有的三個地址引腳接地時，AT24C02 EEPROM的I2C地址是0xA0，這是操作系統(tǒng)將要搜索的地址。

圖5. DVI接收機PCB (2.25" x 4")

FPGA板(圖6)主要包括兩個SRAM和一片Altera? 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，這些數(shù)據(jù)幀，除了獨立的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6. FPGA PCB (7.5" x 9.5")

圖7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接收機的數(shù)據(jù)。同樣，兩行緩存器用于每個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序。因為SRAM為單端口，同時進行讀、寫操作時需要在FPGA內(nèi)部配置存儲器訪問。

圖7. FPGA內(nèi)部功能模塊

每片MAX6974驅(qū)動8個RGB LED，每個顯示模塊包含64個MAX6974 LED驅(qū)動器(圖8)，按照8行、8列分布，另外還有8行、64列的512個RGB LED。所有LED安裝在PCB的一側(cè)，LED中心距離為8mm (上、下、左、右間距)，顯示模塊電路板尺寸為512mm x 64mm。所有MAX6974器件都安裝在PCB的另一側(cè)。在安裝MAX6974器件側(cè)，鋪設(shè)電源和地線，包括1 x 6接頭，共需2組1 x 6接頭：一個用于左上角的LVDS輸入接口，另一個用于左下角的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。

圖8. LED顯示模塊PCB (64mm x 512mm)和LED一起裝配在一側(cè)，MAX6974 LED驅(qū)動器裝配在另一側(cè)(PCB分為左側(cè)(a)和右側(cè)(b))。

圖9給出了通用帶有DVI接收機、FPGA和150個LED顯示模塊PCB的QVGA LED視頻顯示板。這些PCB排成5列、30行。DVI接收機和FPGA PCB如圖所示，安裝到視頻顯示板的上方，可以很容易地隱藏到LED顯示模塊PCB的后面。

圖9

.功耗

3.3V VCC供電時，每片MAX6974的工作電流為28mA (CALDAC關(guān)閉)或54mA (CALDAC使能)。一個LED顯示模塊PCB上包含64個MAX6974 LED驅(qū)動器，工作電流為1.8A或3.5A。采用5V VLED供電時，MAX6974每個端口提供的最大LED電流為30mA。512個RGB LED顯示模塊的最大電流為46A，需要多個3.3V和5V電源為整個視頻顯示板供電。

80 x 64 LED視頻模塊

圖10所示9個LED PCB安裝在一個框架內(nèi)(可安裝10塊PCB)，F(xiàn)PGA和DVI接收機的PCB安裝在背面(圖11)。整個QVGA顯示板安裝在15個(3 x 5)這樣的框架上。

圖10. 一塊可安裝10塊LED PCB的框架

圖11. 框架背面