Фоновая подсветка HDMI-FPGA-LED. Часть 1: Введение

Существует множество проектов/статей о реализации фоновой подсветки для монитора/телевизора типа PC-USB-MCU-LED (ссылки в конце топика) и каждый раз, как поднимается данная тема, возникает мысль: а почему бы не сделать автономное устройство ни как не привязанное напрямую к вычислительным ресурсам PC, ну или что-то вроде того. А почему бы и нет?!

Введение

Некоторые, возможные путей/методы реализации такого устройства:

1. Вклиниться в аналоговый видеоканал между PC и дисплеем, по быстрому его (видео сигнал) оцифровать, выдержав синхронизацию кадра, получить цвет каждого пикселя на дисплеи, затем по некоторому алгоритму расчитать какой цвет фоновой подсветки должен быть и выдать PWM сигнал на светодиоды. После всех этих манипуляций оцифрованный сигнал необходимо обратно конвертировать в аналоговый и отправить дальше на дисплей.
   У данного метода одни только недостатки: аналоговая передача видеосигнала постепенно уходит в прошлое (спорный момент конечно, но все же); сложно и очень дорого оцифровывать быстро меняющийся видеосигнал; для обработки оцифрованного потока информации в реальном времени нужны производительные ПЛИС/DSP/MCU; возможны потери качества при обратном преобразовании цифрового в аналоговый сигнал; потребности в синхронизации кадра как принимаемого так и передаваемого видео сигналов; и т. д. Поэтому, предлагаю далее, варианты с обработкой аналогового сигнала не рассматривать вообще.
   
2. Вклиниться в цифровой видеоканал между PC и дисплеем, выдержав синхронизацию кадра, получить цвет каждого пикселя на дисплеи, затем по некоторому алгоритму расчитать какой цвет фоновой подсветки должен быть и выдать PWM сигнал на светодиоды. После всех этих манипуляций принятый цифровой видео сигнал следует отправить дальше на дисплей.
   Недостатки: скорость передачи информации по цифровым видеоканалам весьма высока, для обработки такого потока информации в реальном времени нужны производительные ПЛИС/DSP/MCU; возможны потери качества при дальнейшей передачи видеосигнала на дисплей; потребности в синхронизации кадра как принимаемого так и передаваемого видео сигналов; патентная чистота (с ней на самом деле все не до конца ясно) и т.д.
   Преимущества: отпадает потребность в преобразователях аналоговый<->цифровой сигналы
   
3. Множество современных видеокарт без особого труда осуществляют дублирование одного изображения на 2 монитора по независимым цифровым видеоканалам. Пользуясь данным режимом работы видеокарты можно осуществить следующее:
   Выставить не большое разрешение на одном из каналов видеокарты, подключить его к ПЛИС/DSP/MCU, затем выдержав синхронизацию кадра, получить цвет каждого пикселя на дисплеи, затем по некоторому алгоритму рассчитать какой цвет фоновой подсветки должен быть и выдать PWM сигнал на светодиоды. И все!
   Недостатки: потребность в видеокарте с двумя видеоканалами (в отличии от первых двух методов); вопрос с патентной чистотой остается открытым, но кажется не таким острым как в предыдущем методе

Здесь можно еще много чего напридумывать, как мне кажется, но я остановился на последнем методе реализации, хотя бы из требований патентной чистоты. О ней также пару слов будет, чуть ниже.

Аппаратная реализация

При выборе аппаратной реализации исходил из принципов: простоты (на сколько это возможно), дешевизны и доступности компонентов.

HDMI(DVI)-reciever или все в одном?

На самом деле вопрос в выборе аппаратной платформы стоит очень остро: устройство должно успевать переваривание поток информации (для SVGA (800x600@60 Hz) 24 bits, Pixel Rate — 50 MHz) 500 Mb/s, а если разрешение будет больше то соответственно и поток информации будет еще больше. Также устройство должно иметь, желательно встроенные, дифференциальные приемки TMDS сигнала, которыми и являются сигналы передаваемые по HDMI или DVI видеоканалам.
Для уверенного приема HDMI(DVI) сигнала существуют специализированные микросхемы типа ADV7611/ADV7612 производства Analog Device или TFP401 от Texas Instruments или микросхемы китайского производства EP903 от Explore Semiconductor. Все эти устройства осуществляют прием TMDS сигналов и преобразуют их в параллельный код, который затем может быть обработан на ПЛИС/DSP/MCU. Основной недостаток этих микросхем их цена, которая порой превышает цену хорошего ПЛИС или DSP, поэтому решил что использование reciever-ов TMDS сигналов в данной реализации устройства рассматривается не будет.

ПЛИС или DSP?

DSP-процессоры всем хороши и писать для них можно на С, и купить в розницу проблем нет, но они не имеют встроенных приемников TMDS, к тому же в цене они порядком отличаются от ПЛИС (или равны) и имеют на борту еще много чего совершенно не нужного. С ПЛИС все по другому: писать надо на Verilog или VHDL, некоторые ПЛИС имеют встроенные приемопередатчики TMDS сигналов, скорость обработки сигналов очень высокая, периферии почти никакой нет.
К наиболее распространенным ПЛИС относятся (по моему мнению) микросхемы производимые Xilinx и Altera. Среди них, приемники TMDS имеют лишь ПЛИС Xilinx, семейства Spartan-3AN и выше, поэтому ПЛИС Altera выпадают из рассмотрения, хотя для них и можно сделать преобразователь уровней, но сделать преобразователь уровней не вносящий искажений в полезный сигнал это уже сложнее. Плюсом в огород Xilinx, является наличие замечательных Application Note: Video Connectivity Using TMDS I/O in Spartan-3A FPGAs и Implementing a TMDS Video Interface in the Spartan-6 FPGA, которыми я и руководствовался.
Были выбраны 2 ПЛИС из разных семейств:

1. Xilinx Spartan 6, а именно XC6SLX9-2TQG144C. Подробнее здесь;
   
2. Xilinx Spartan 3A, а именно XC3S200A-4VQG100C. Подробнее здесь.
   

Окончательная разводка платы будет делаться под XC6SLX9 т.к. она более универсальна: имеет большее количество логических ячеек; имеет 2 аппаратных контроллер доступа к памяти (MCB); имеет 16 блоков умножителей DSP48A1 — все это может может пригодиться в будущем.

Связь с ПК

Пока получается все красиво, но есть одно не большое но: от связи с ПК (помимо видеоканала) абсолютно и бесповоротно избавиться никак не получится. Так как необходимо задавать кол-во зон захвата, кол-во светодиодов, вводить ограничения на скорость смены цветов и т.д. По этому поводу, было решено что на стороне ПЛИС реализую асинхронный приемопередатчик (UART) и уже к нему подключаю все что угодно выдающие UART с уровнями TTL

Функциональная схема

По причине не законченности устройства, принципиальную схему здесь не привожу, оставлю лишь функциональную схему:

Плата дополнительно позиционируется как отладочная, поэтому на ней большинство ног ПЛИС выведены на PLS. К PLS подключаться будут светодиоды, UART и т.д. MiniUSB используется исключительно для подачи электропитания и ни какие данные по нему не передаются. Прошивка и отладка ПЛИС будет осуществляться по интерфейсу JTAG, через китайский клон Xilinx Platform USB Cable.

В место заключения

В следующей части нас ждет:

• Печатная плата: разводка, изготовление;
• Альтернативы;
• Hellow VGA;
• Галопом по Европам: Hellow TMDS.

Ссылки

Пиксельная подсветка просто и быстро
Lightpack. USB-подсветка монитора для усиления эффекта присутствия
Adalight Project Pack