本实用新型属于LED驱动设备领域，涉及一种全彩LED阵列驱动装置，尤其涉及一种基于FPGA的全彩LED阵列驱动装置。
背景技术：
随着现代多媒体的发展，全彩LED显示阵列得到了广泛应用。每个全彩LED是由一个红色发光二极管、一个绿色发光二极管、一个蓝色发光二极管组成。通过控制每个发光二极管的亮度可以混合出所有颜色。控制发光二极管亮度有两种方法，首先，由于发光二极管亮度几乎与流过发光二极管的电流成正比，因而可通过改变流过发光二极管的电流来控制发光二极管亮度。其次，由于人眼存在视觉滞留，因此也可以用脉宽调制的方法实现亮度控制，即周期性改变驱动发光二极管的高频PWM波占空比，实现亮度控制。
目前市场上全彩LED显示阵列普遍采用MCU加专用全彩LED驱动器方案，以串行8*8*3位RGB数据输入、8*3通道恒流输出全彩LED驱动芯片DM163为例可以看出，该方案通过控制流过发光二极管的电流来实现发光二极管亮度控制，其有驱动方式简单，开发难度低等优势的同时，也存在如下缺点。首先，由于专用LED驱动器价格昂贵，尤其在高分辨率应用场景下需要使用大量LED驱动器，导致该方案成本高昂。其次，专用全彩LED驱动器通过串行输入每个发光二极管亮度信息达到控制每个LED的目的，由于MCU串行接口有限，该方案通常采用多片LED驱动器级联而共用一个串行输入接口的数据传输方式，这就导致了刷新效率低下的问题。最后，该方案系统设计不够灵活，在改变LED阵列分辨率时，需要较大幅度修改控制系统的设计，不利于扩展和提升性能。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于FPGA的全彩LED阵列驱动方案，以简化电路、降低成本、提高刷新效率，并增强扩展性。
本实用新型的上述目的是通过下面的技术方案得以实现的：
一种基于FPGA的全彩LED阵列驱动装置，包括电源模块、HDMI接口、HDMI接收芯片、USB接口、USB桥接芯片、PCIe接口、PCIe桥接芯片、FPGA、FLASH、DDR3SDRAM、系统监测模组、LED阵列模组和人机交互模组；用于接收视频输入信号的HDMI接口和HDMI接收芯片与FPGA连接，用于与计算机端上位机配合的USB接口和USB桥接芯片与FPGA连接，用于将多个所述驱动装置之间级联扩展的PCIe接口和PCIe桥接芯片与FPGA连接，用于配合FPGA实现数字图像处理和对整个驱动装置控制的FLASH、DDR3SDRAM分别与FPGA连接，LED阵列模组、用于进行用户设置的人机交互模组和用于监测系统运行状态的系统监测模组分别与FPGA连接。系统监测模组用于监测系统运行状态，使得本实用新型装置能对非正常状态作出合理的处理并报告给用户。包括对LED温度、系统湿度、电流负载的监测，由于LED温度过高会缩短LED使用寿命，当温度较高时，本实用新型装置会适当减小屏幕亮度。
进一步地，人机交互模组与FPGA之间通过SPI总线协议进行通信。人机交互模组是用户实现对本系统控制的接口，该模组与FPGA之间通过SPI接口总线通信。
进一步地，LED阵列模组包括三八译码器、达林顿晶体管阵列和全彩LED，译码器采用74LS138，达林顿晶体管阵列采用M54564FP，全彩LED采用共阳极RGB LED。全彩LED阵列模组由三八译码器、达林顿阵列、和全彩LED组成。译码器采用成本低廉的74LS138,其作用主要是压缩行列控制线的数量。达林顿晶体管阵列采用M54564FP，其的作用是提高驱动能力。全彩LED采用共阳极RGB LED。
进一步地，HDMI接收芯片选用Lattice公司的SiI1127A。HDMI接口用于接收需要显示的视频信号，HDMI接口是目前被广泛使用的高清晰度多媒体接口，本实用新型装置与目前市场上普遍使用的全彩LED阵列驱动方案不同，本实用新型装置无需安装用于接收视频信号、调整分辨率、分割画面等的发送卡，而兼容所有不大于1080P分辨率的HDMI视频信号源，真正做到即插即用。HDMI接收芯片选用Lattice公司SiI1127A，是一款双HDMI端口输入、36位RGB数据输出的HDMI接收器，可接收高达1080p@60Hz的12位Deep Color视频信号。
进一步地，USB桥接芯片选用Cypress公司的CYUSB3065。USB接口配合计算机端上位机，不仅可以将需要显示的视频信号从计算机端发送给本实用新型装置，还能通过计算机端上位机对本实用新型装置进行设置。USB桥接芯片选用Cypress公司的CYUSB3065，该芯片不仅是符合PIPE3.0的5Gbps USB3.0PHY，而且是一枚集成了32位ARM926EJ-S微处理器的USB桥接控制器。USB桥接芯片与FPGA之间使用MIPI CSI-2接口标准传输数据。该接口标准是由移动工业处理器接口(MIPI)协会定义的摄像机串行接口标准，用于在高带宽串行线上发送图像数据。首次将本实用新型装置通过USB连接计算机上位机时，上位机将自动枚举USB桥接芯片供应商ID，并通过USB接口下载固件和USB描述符，之后，本实用新型装置会作为下载信息定义的器件再次被枚举，该过程在器件插入时即时发生，免去手动安装驱动过程，便于用户使用。
进一步地，PCIe桥接芯片选用沁恒公司的CH368。PCIe接口用于当多个本实用新型装置之间级联和扩展时传输数据。PCIe桥接芯片选用沁恒公司的CH368，CH368是一个连接PCI-Express总线的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断。CH368将高速PCIE总线转换为简便易用的类似于ISA总线的32位主动并行接口。
进一步地，所述DDR3SDRAM采用两片Micron公司的DDR3SDRAM芯片MT41K64M16TW-107AIT。FLASH除了用于存储FPGA的配置信息外，还存储有中文常用字字库和一些界面图标数据，用于给用户提供可视化人机交互接口。此外，FLASH中还存储用户设置信息，以解决系统由于宕机重启后需要重新设置的问题。本实用新型装置采用两片Micron公司的DDR3SDRAM芯片MT41K64M16TW-107AIT用于缓存视频数据。
本实用新型具有以下优势：
1、本实用新型采用FPGA输出PWM波的方式控制LED亮度的方案代替专用LED驱动器方案，简化电路，节省成本。
2、本实用新型采用HDMI作为视频输入源，与目前市场上普遍使用的需安装用于接收视频信号、调整分辨率、分割画面等的发送卡方案相比，视频输入方式简单而又通用。而且本实用新型还能以USB结合计算机端上位机作为视频输入源，更加提高了易用性。
3、本实用新型充分发挥FPGA并行性，不存在通过串行数据接口向多片级联的LED驱动器中传输亮度信息而导致效率低下的问题，因而可以提高刷新率，优化显示效果。
4、由于FPGA在数字图像处理效率方面有巨大的优势，因而增加对比度、色相、色彩饱和度、抗锯齿、去噪等画面调节功能，为用户提供可自由定制的显示效果。
5、系统监测模组用于监测系统运行状态，使得本实用新型装置能对非正常状态作出合理的处理并报告给用户，提高了系统容错能力，延长系统使用寿命。
附图说明
图1是本实用新型的硬件系统结构示意图；
图2是本实用新型FPGA架构设计示意图；
图3是本实用新型全彩LED阵列模组结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例具体介绍本实用新型实质性内容，但并不以此限定本实用新型的保护范围。
本实用新型提供一种基于FPGA的全彩LED阵列驱动装置。其硬件系统结构如图1所示，包括电源模块、HDMI接口、HDMI接收芯片、USB接口、USB桥接芯片、PCIe接口、PCIe桥接芯片、FPGA、FLASH、DDR3SDRAM、系统监测模组、LED阵列模组、人机交互模组。
HDMI接口用于接收需要显示的视频信号，HDMI接口是目前被广泛使用的高清晰度多媒体接口，本实用新型装置与目前市场上普遍使用的全彩LED阵列驱动方案不同，本实用新型装置无需安装用于接收视频信号、调整分辨率、分割画面等的发送卡，而兼容所有不大于1080P分辨率的HDMI视频信号源，真正做到即插即用。HDMI接收芯片选用Lattice公司的SiI1127A，该芯片是一款双HDMI端口输入、36位RGB数据输出的HDMI接收器。其可以接收高达1080p@60Hz的12位Deep Color视频信号。
USB接口配合计算机端上位机，不仅可以将需要显示的视频信号从计算机端发送给本实用新型装置，还能通过计算机端上位机对本实用新型装置进行设置。USB桥接芯片选用Cypress公司的CYUSB3065，该芯片不仅是符合PIPE3.0的5Gbps USB3.0PHY，而且是一枚集成了32位ARM926EJ-S微处理器的USB桥接控制器。USB桥接芯片与FPGA之间使用MIPI CSI-2接口标准传输数据。该接口标准是由移动工业处理器接口(MIPI)协会定义的摄像机串行接口标准，用于在高带宽串行线上发送图像数据。首次将本实用新型装置通过USB连接计算机上位机时，上位机将自动枚举USB桥接芯片供应商ID，并通过USB接口下载固件和USB描述符，之后，本实用新型装置会作为下载信息定义的器件再次被枚举，该过程在器件插入时即时发生，免去手动安装驱动过程，便于用户使用。
PCIe接口用于当多个本实用新型装置之间级联和扩展时传输数据。PCIe桥接芯片选用沁恒公司的CH368，CH368是一个连接PCI-Express总线的通用接口芯片，支持I/O端口映射、存储器映射、扩展ROM以及中断。CH368将高速PCIE总线转换为简便易用的类似于ISA总线的32位主动并行接口。
FLASH除了用于存储FPGA的配置信息外，还存储有中文常用字字库和一些界面图标数据，用于给用户提供可视化人机交互接口。此外，FLASH中还存储用户设置信息，以解决系统由于宕机重启后需要重新设置的问题。本实用新型装置采用两片Micron公司的DDR3SDRAM芯片MT41K64M16TW-107AIT用于缓存视频数据。
系统监测模组用于监测系统运行状态，使得本实用新型装置能对非正常状态作出合理的处理并报告给用户。包括对LED温度、系统湿度、电流负载的监测，由于LED温度过高会缩短LED使用寿命，当温度较高时，本实用新型装置会适当减小屏幕亮度。人机交互模组是用户实现对本系统控制的接口，该模组与FPGA之间通过SPI接口总线通信。
FPGA内部架构设计如图2所示，包括PLL、USB数据解析器、视频源多路选择器、RGB转YCbCr444、DDR3IP、画面缩放单元、画面分割单元、调色单元、画面处理单元、显示控制器、PCIe传输控制器、FLASH控制器、菜单界面管理器、指令存取单元、ALPHA混色单元、RGB转YCbCr444、帧解析器、FIFO、扫描控制器、行编码器、行选通器、列解析器、列编码器、PWM单元、总控制器、SPI接口、SPI控制器、指令译码器、指令编码器、监测模组接口。
PLL为各模块提供时钟。USB数据解析器将从计算机端上位机经过USB桥接芯片传输到FPGA的数据进行解析，即将打包的数据流按照一定的规则分离成视频数据和控制数据，并且进行握手校验等过程。分离后的控制数据传输给总控制器，而视频数据传输给视频源多路选择器。视频源多路选择器由总控制器控制，决定本实用新型装置以HDMI作为视频源还是以USB视频数据作为视频源。RGB转YCbCr444负责将RGB视频数据进行彩色空间变换，变换成YCbCr444视频数据并通过DDR3IP存入DDR3SDRAM，以便于后续数字图像处理。画面缩放单元在显示控制器的控制下将存储在DDR3SDRAM中的视频数据进行缩放处理以适应显示需求。当多个实用新型装置之间级联扩展时，每一个实用新型装置应当显示视频输入画面的一部分，画面分割单元的作用是在显示控制器的控制下将该实用新型装置应该显示的画面分割出来。调色单元可以根据用户需求改变画面的显示效果，包括对亮度，对比度，色相，色彩饱和度等的调节。画面处理单元根据用户设置进一步优化显示效果，包括抗锯齿、锐化、去噪等。
当多个本实用新型装置之间级联扩展时，PCIe传输控制器将控制数据和除了该实用新型装置需要的视频数据以外的视频数据通过PCIe桥接芯片发送给其余的实用新型装置，以达到多个实用新型装置协同显示同一视频画面的目的。
菜单界面管理器通过FLASH控制器将生成可视化图形界面所需要的汉字点阵数据和图标数据从FLASH中读取出来并生成可视化图形界面，便于用户进行人机交互。指令存取单元通过FLASH控制器将用户设置信息存储进FLASH或从FLASH中读取用户设置信息。ALPHA混色单元将经过调色单元和画面处理单元处理后的视频数据与菜单界面管理器生成的可视化图形界面数据叠加显示在同一画面上，以满足用户在几乎不影响视频播放的情况下进行人机交互的要求。YCbCr444转RGB将叠加后的视频数据由YCbCr444彩色空间转换到RGB彩色空间。帧解析器以帧为单位将视频数据流封装成帧矩阵表并存入FIFO。
扫描控制器从FIFO中读取帧矩阵表并生成行控制信息和列显示信息，行控制信息传输给行编码器进行编码，之后根据编码结果控制行选通器，行选通器连接着全彩LED阵列模组的行控制线。列显示信息传输给列解析器，列解析器生成列控制信息和发光二极管亮度信息，列控制信息传输给列编码器进行编码。PWM单元根据列编码器编码结果和与之对应的发光二极管亮度信息输出一定占空比的PWM波，PWM单元连接全彩LED阵列模组的列控制线。由行列控制线可实现对全彩LED阵列模组上任意一个LED的亮度控制。
总控制器不但负责协调系统各模块之间协同工作而且负责传输控制数据和执行控制指令等。其中协调系统各模块协同工作主要通过对显示控制器、PCIe传输控制器、菜单界面管理的控制来实现。人机交互模组与FPGA之间通过SPI接口总线通信，FPGA作为SPI从机，人机交互模组作为SPI主机。该接口总线用于将用户设置信息传输给本实用新型装置和将当前的设置信息反馈给用户。SPI接口和SPI控制器负责按照SPI协议将指令发送给人机交互模组或者从人机交互模组接收指令。指令译码器用于将从人机交互模组接收到的指令译码后传输给总控制器，指令编码器用于将总控制器中的指令编码后发送给人机交互模组。监测模组接口将系统监测模组各项监测数据传输给总线控制器，总线控制器根据监测数据作出相应操作。
全彩LED阵列模组结构如图3所示，其主要由三八译码器、达林顿阵列、和全彩LED组成。译码器采用成本低廉的74LS138,其作用主要是压缩行列控制线的数量。达林顿晶体管阵列采用M54564FP，其的作用是提高驱动能力。全彩LED采用共阳极RGB LED。
上述实施例的作用在于具体介绍本实用新型的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本实用新型的保护范围局限于该具体实施例。