怎么设计基于LED的视频显示板？

　　粗略估计，全球安装的大型LED视频显示板已经达到数万台。随着整体系统价格的下降，显示板操作流程的简化，LED视频显示板必将得到进一步的普及。本应用笔记介绍了一种基本的低成本LED视频显示模块。这一新型设计利用廉价的FPGA芯片完成数字视频比特流的分配，由MAX6974 LED驱动器构成QVGA （320 x 240）分辨率的LED视频显示器。该显示板可通过PC控制，用作辅助监视器显示任意文本、图表或多媒体信息。
　　目前的LED显示板架构
　　目前，所有顶尖视频显示板生产商都在使用不同色彩像素尺寸的LED视频显示模块，结构相似但又各具特色。视频显示模块像素尺寸大约在256至15552范围内，由厂商决定。将视频显示模块拼接在一起可以构成边长达到数米的视频墙（图1）。每块视频显示模块带有不同的PCB，PCB上安装了LED及其驱动器。另外，安装LED驱动器的PCB上还安装有FPGA和视频缓存芯片。
　　对于一个视频墙，视频显示模块之间通常采用同轴电缆连接。视频墙通过光纤连接到控制和视频处理单元。控制单元用于配置这些视频显示模块、正确选择视频源。视频处理器接收所选择的视频信号，进行格式转换后把正确的数据信息发送到相应的像素位置。视频处理器还需要进行数据缓存和比例调节。该应用的控制器和视频处理器单元属于专业设备，价格可能非常高。
　　
　　图1. 目前LED视频显示板的系统架构
　　Maxim方案
　　利用MAX6974 LED驱动器的独特功能，可以结合一片低成本、中等规模的FPGA构建一块LED视频显示板，通过PC控制整个系统（图2）。利用一块额外的视频接口PC卡可以支持不同的视频信号源，从而组成完整的LED视频显示板，只需要很少的电子元件，无需专业设备。
　　
　　图2. 基于MAX6974的LED视频显示板系统架构
　　MAX6974 LED驱动特性
　　MAX6974 LED驱动器专为LED视频显示板应用而设计。每个LED驱动器包含24路同等的恒流、PWM LED驱动器端口，可驱动8或16个（双模） RGB像素。为适应视频或静态图片，消除黑屏现象，芯片的PWM速率非常高。当视频刷新速率为60fps （每秒帧）时，PWM速率约为7680Hz。MAX6974的数据输入接口包含一个LVDS时钟和一对LVDS数据，也可以通过数据输出接口串联MAX6974 LED驱动器，以提供更高的数据位，同样包含LVDS时钟和LVDS数据对。根据视频刷新速率和时钟频率，可以将数百片MAX6974器件通过LVDS接口连接在一起。利用这个接口，LED驱动器和视频显示模块PCB之间可以通过几英尺长的双绞线电缆连接在一起。
　　MAX6974可通过三种方式控制每个LED的亮度。首先，每个独立的LED （红、绿或蓝）都有一个12位的PWM亮度控制器，远远高于DVI？接口规定的每种颜色8位的分辨率，其余位可用于对比度调整，以适应不同的环境光条件；其次，7位PDM亮度控制用于调节所有LED驱动端口，这些PDM位可用于亮度控制。最后，每组LED驱动端口都带有步长为256的恒流控制（6mA至30mA）。这些校准步长用于配置不同温度下所要求的视频颜色。
　　基于MAX6974的LED视频显示板架构详细设计
　　该LED视频显示板参考设计采用一片FPGA实现视频数据为的分配，它还可以捕获控制帧，直接将它们转发到每片MAX6974 LED驱动器内部相应的寄存器。图3所示为QVGA分辨率（320 x 240）的参考设计框图，采用了TFP401A DVI接收器、用于存储EDID的AT24C02 EEPROM、EP2C20 FPGA和9600片MAX6974 LED驱动器，用于驱动76，800个OVSRRGBCC3 RGB LED。
　　
　　图3. 参考设计功能框图
　　框图左侧的DVI信号由TFP401A DVI接收器接收，AT24C02 EEPROM提供EDID给Windows？操作系统。解串后的信号和TMDS解码信号发送到EP2C20。重新编排视频位，通过5个LVDS通道以32Mbps的速度传递到LED视频模块PCB列。每路LVDS包含2个差分对、CLKI（O）±、DIN（OUT）±、一个LOADI（O）引脚和一个GND （地）引脚，共6条线。每个LED显示模块PCB包含64片MAX6974 LED驱动器和512个OVSRRGBCC3 RGB LED。
　　视频流分配和视频帧控制
　　DVI最低分辨率是VGA，该QVGA参考设计可用于隔行扫描的奇数或偶数像素。TFP401A DVI接收器的半像素时钟速率为12.5MHz。消隐期占用大约40%。由于MAX6974接口只用于奇数或偶数行，无需考虑消隐期，串行转换（24位RGB） QVGA数据速率为12.5/2/1.4 × 24 = 107.142857Mbps。考虑到DVI每种颜色8位分辨率，相应于MAX6974每种颜色的12位转换器，有效数据速率为107.142857/8 × 12 = 160.714286Mbps。FPGA缓存来自TFP401A DVI接收器的像素数据流，数据流划分成5组，然后将其发送到相应的LVDS通道。每个LVDS通道的数据速率为160.714286/5 = 32.1428571Mbps。
　　TFP401A DVI接收到的每个像素按照每行从左到右、每帧从上到下依次传递。MAX6974每个PWM帧格式要求相同的颜色信息，以8像素为一组传输（表1）。需要一个至少存储8个像素数据的缓存器支持这一格式转换。考虑到隔行扫描以及消隐，为了保持LVDS通道固定的传输速率，参考设计中用缓存器存储一帧视频数据。缓存器可能够将多片MAX6974器件在PCB的两端连接起来，避免从右到左使用较长的LVDS链路。
　　表1. MAX6974单个PWM数据帧格式
　　
　　除传递每个端口的PWM信息外，帧头CMD位为010101、101010和111111的三个数据帧通过MAX6974 LVDS接口传送CALDAC、全局亮度PDM和配置信息（表2）。每个帧头包含24位，第一字节为同步模板11101000，随后是6位CMD和10位计数器值（CNTR）。每个端口PWM数据帧的CMD位是000000。
　　表2. MAX6974数据帧头格式
　　
　　除PWM信息外，数据帧也利用基于PC的GUI通过DVI接口发送。数据帧类型由FPGA内部的相应电路识别。与PWM信息无关的数据帧格式如表3所示，HDR代表帧头。注意，每个端口PWM信息的视频帧不包括帧头。
　　表3. 视频显示参考设计，数据帧屏幕格式
　　
　　表3介绍了320列像素和96行像素视频帧控制。1至5 LVDS通道分别传输0至63列、64至127列、128至191列、192至255列以及256至319列的视频和控制信息。在一个控制视频帧内，0至1行的每个像素都包含24位帧头配置信息（HDR）；第32行和33行包含全局亮度PDM的帧头信息，第64行和65行包含CALDAC的帧头信息。本参考设计中，每组2行帧头之后的30行数据对应于LED显示模块PCB的30行信息。每个特定的LVDS列提供每行64像素的信息，用于传输每块LED显示模块PCB上64片MAX6974 LED驱动器的信息。每片MAX6974器件的每个像素包括24位控制信息，视频帧控制中不使用95行以上的数据。
　　视频显示板控制GUI
　　GUI （图4）用于配置参考设计中所有MAX6974的全局亮度PDM和CALDAC寄存器。GUI包括一个全局设置选项，用于调节视频显示板上所有芯片的相关参数，还包含一个器件制表符，用于调节每个芯片的参数。所有寄存器和MAX6974 LED驱动器的设置可以存储到一个文件，当视频显示板运行时下载数据。提供一个初始化设置文件，其中包括典型的寄存器参数的初始设置，大大简化了视频显示板的初始化过程。
　　
　　图4. MAX6974视频显示板的GUI
　　GUI作为一个独立的操作窗口出现在Windows操作系统。一旦使能GUI上的Write按钮，它将创建一个视频控制帧并将其发送到视频显示板。视频控制帧只能按照60Hz的视频刷新率显示。视频控制帧也会占据视频显示板的整个屏幕；而FPGA会检测控制帧头行并将相应的信息发送到MAX6974寄存器。因此，视频控制帧的内容不会显示在视频显示板上。虽然视频帧刷新时也会传递控制信息，但人眼不会注意到这些更新。
　　方案实施
　　DVI接收板包括TFP401A DVI接收器和AT24C02 EEPROM，另外还有几个旁路电容（图5）。TFP401A DVI接收器实现串并转换和TMDS解码，并保证在半像素时钟速率下同时得到RGB位的奇、偶像素。因为DVI决定屏幕的最小分辨率是VGA，参考设计消除了每个邻近像素，支持隔行扫描。半像素时钟对于FPGA非常便利，允许其挑选所需要的像素。
　　在Windows操作系统识别显示器之前，通过DDC按照I？C协议检测显示器。然后，该显示器响应其EDID，包含制造商信息和操作信息。同样，AT24C02 EEPROM用于储存LED视频显示板的EDID信息。制造商ID必须从视频电子标准协会（VESA）获取，本参考设计中，借用DVI LCD显示器的EDID，储存在AT24C02 EEPROM中。当所有的三个地址引脚接地时，AT24C02 EEPROM的I2C地址是0xA0，这是操作系统将要搜索的地址。
　　
　　图5. DVI接收机PCB （2.25“ x 4”）
　　FPGA板（图6）主要包括两个SRAM和一片Altera？ FPGA器件。FPGA内部具有LVDS接口和存储器读取功能。该参考设计中，FPGA主要用于DVI数字视频信息的输出分配。FPGA的另一重要作用是识别数据帧配置、全局亮度PDM和CALDAC信息。当识别到视频控制帧时，这些数据帧，除了独立的PWM信息外，都被接收下来并直接发送到相应的MAX6974寄存器。
　　
　　图6. FPGA PCB （7.5“ x 9.5”）
　　图7给出了FPGA的内部功能电路，一帧像素的数据位存储在SRAM缓存内。FPGA内部的行缓存器用于连接TFP401A DVI接收机和LVDS通道。两行缓存器，一行用于接收TFP401A接收的数据位，连接SRAM的另一行缓存器用于接收TFP401A DVI接收机的数据。同样，两行缓存器用于每个LVDS通道。FPGA提供完整的逻辑电路使DVI和LVDS数据吞吐率保持一致，并提供所要求的SRAM数据、地址以及控制信号的时序。因为SRAM为单端口，同时进行读、写操作时需要在FPGA内部配置存储器访问。
　　
　　图7. FPGA内部功能模块
　　每片MAX6974驱动8个RGB LED，每个显示模块包含64个MAX6974 LED驱动器（图8），按照8行、8列分布，另外还有8行、64列的512个RGB LED。所有LED安装在PCB的一侧，LED中心距离为8mm （上、下、左、右间距），显示模块电路板尺寸为512mm x 64mm。所有MAX6974器件都安装在PCB的另一侧。在安装MAX6974器件侧，铺设电源和地线，包括1 x 6接头，共需2组1 x 6接头：一个用于左上角的LVDS输入接口，另一个用于左下角的LVDS输出接口。显示模块电路板可以嵌在视频显示板框架上，所有互联板都安装在框架内。邻近LED显示模块PCB之间的LVDS接口不需要额外引线。
　　图8. LED显示模块PCB （64mm x 512mm）和LED一起装配在一侧，MAX6974 LED驱动器装配在另一侧（PCB分为左侧（a）和右侧（b））。
　　图9给出了通用带有DVI接收机、FPGA和150个LED显示模块PCB的QVGA LED视频显示板。这些PCB排成5列、30行。DVI接收机和FPGA PCB如图所示，安装到视频显示板的上方，可以很容易地隐藏到LED显示模块PCB的后面。
　　图9
　　。功耗
　　3.3V VCC供电时，每片MAX6974的工作电流为28mA （CALDAC关闭）或54mA （CALDAC使能）。一个LED显示模块PCB上包含64个MAX6974 LED驱动器，工作电流为1.8A或3.5A。采用5V VLED供电时，MAX6974每个端口提供的最大LED电流为30mA。512个RGB LED显示模块的最大电流为46A，需要多个3.3V和5V电源为整个视频显示板供电。
　　80 x 64 LED视频模块
　　图10所示9个LED PCB安装在一个框架内（可安装10块PCB），FPGA和DVI接收机的PCB安装在背面（图11）。整个QVGA显示板安装在15个（3 x 5）这样的框架上。
　　
　　图10. 一块可安装10块LED PCB的框架
　　
　　图11. 框架背面