Aim of this research work is to design a Red Green and Blue (RGB) Light Emitting Diode (LED) pixel driver that makes the development of RGB displays easier especially for small to medium size display boards. The existing system is using conventional shift registers fed by a local Field Programmable Gated Array (FPGA) based driver. Our intent was to have a single chip which can receive serial data and contains a surrogate controller to generate the different intensities by driving the RGB LEDs which might produce different colors.
In our research, the core architecture of the controller chip is an eight bit (per color) wide Pulse Width Modulation (PWM) controller which generates 16.7 Million colors. Total PWM width for the three basic colors is 24 bits wide (per pixel). The chip contains 48 parallel PWM outputs along with serial-in-serial out data pins and other control inputs.
After the successful simulation at behavioral level and post synthesis simulation; the design is transferred to schematics and then to layout. Mentor Graphics tools set for Application Specific Integrated Circuit (ASIC) Design flow are used with ASIC Design Kit from MOSIS having technology and feature size of AMI-0.5um or TSMC-0.35um. The dedicated design and its subsequent analysis have ramifications for chip-design engineers working in optoelectronics or photonics engineering industry.
Inhaltsverzeichnis
1. Chapter No 1
1.1. About the thesis
1.2. The Design Procedure
1.3. The Major Challenge
1.4. Report overview
1.5. RGB Color
1.6. Representation of RGB
1.7. True Color
1.8. RGB LED Display
1.9. LED Display Organization
1.10. RGB LED Panel
1.11. Video Wall Structure
1.12. Literature Review
2. Chapter No 2
2.1. Design of the Proposed Controller
2.2. Design Procedure of the Chip
2.2.1. HDL Coding
2.2.1.1. Coding Problems
2.2.1.2. Component Based Coding
2.2.2. Details of the Code Modules
2.2.2.1. PWM Logic
2.2.2.2. Functional Details of PWM Logic
2.2.2.3. PWM Counter
2.2.2.4. PWM Comparator
2.2.2.5. PDM Counter
2.2.2.6. PDM Comparator
2.2.2.7. SISO
3. Chapter No 3
3.1. Explanation of the Do File
3.2. Simulation of the Proposed PWM Controller
3.3. Simulation View of PDM Signal
3.4. Simulation View of PDM Result
3.5. Simulation View of PDM Clock and PWM Cycle
3.6. Simulation View of Strobe and PDM / PWM Cycle.
3.7. Synthesis of the PWM Controller
3.8. Synthesis Procedure
3.9. Post Synthesis Simulation of the PWM Controller
3.10. Post Synthesis Simulation View of PDM Signal
3.11. Post Synthesis Simulation View of PDM Result
4. Chapter No 4
4.1. Discussions on Schematics
4.2. Discussions on Simulation
4.3. Layout and Verification
5. Chapter No 5
5.1. Conclusion
5.2. Future Work
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist der Entwurf eines dedizierten Chips als Pixeltreiber für RGB-LEDs, um die Entwicklung von RGB-Displays, insbesondere für kleine bis mittelgroße Anzeigetafeln, zu vereinfachen. Die Forschungsfrage konzentriert sich darauf, wie ein einzelner Steuerungs-Chip die serielle Datenverarbeitung übernehmen und die Lichtintensität lokal und in Echtzeit steuern kann, um die Komplexität externer FPGA-basierter Treibersysteme zu reduzieren.
- Entwurf einer dedizierten ASIC-Steuerungsarchitektur für RGB-LEDs
- Implementierung einer globalen Pulsdichtemodulation (PDM) zur Helligkeitssteuerung
- Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) zur Farberzeugung
- Optimierung des Schaltungsentwurfs für geringere Datenanforderungen und Systemkomplexität
- Simulation und Synthese des Designs unter Verwendung von Mentor Graphics Tools
Auszug aus dem Buch
1.1 About the thesis
This MS thesis is a special topic under the VLSI system design which involves the Micro-electronics and Digital Design techniques required for the professionally developed LED based electronic displays.
The goal of this thesis is to design a dedicated chip to produce true colors on RGB LEDs based on the previous implementation of the design with FPGA. We aim to start with an abstract description of the outdoor LED display architecture with different organization-level structures on a hardware/software design strategy, and find an optimum solution for cost effective design which in turn can be easily/efficiently implemented while reducing the software and hardware overheads.
Zusammenfassung der Kapitel
Chapter No 1: Einleitung in die Thematik der professionellen LED-Displays, Definition der Forschungsziele und Überblick über die verwendeten Design-Methodologien.
Chapter No 2: Detaillierte Darstellung der theoretischen Grundlagen und des Entwurfsprozesses des PWM-Controllers, einschließlich der verwendeten HDL-Codierung und Modulstrukturen.
Chapter No 3: Erläuterung der experimentellen Ergebnisse durch Verhaltens- und Post-Synthese-Simulationen sowie die Beschreibung der verwendeten Simulationswerkzeuge und Stimuli.
Chapter No 4: Diskussion der Ergebnisse bezüglich der Schaltplanerstellung, des Layout-Designs und der Verifizierungsprozesse unter Anwendung von ASIC-Design-Tools.
Chapter No 5: Zusammenfassende Bewertung der Forschungsergebnisse und Ausblick auf zukünftige Optimierungsmöglichkeiten und Erweiterungen des Chip-Designs.
Schlüsselwörter
ASIC, PWM, PDM, RGB-LED, Pixeltreiber, VLSI-Design, HDL, Verilog, Synthese, Simulation, Mentor Graphics, LED-Display, Hardware-Entwurf, Echtzeitsteuerung, Lichtintensität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines spezialisierten ASICs zur Ansteuerung von RGB-LEDs, um die Farberzeugung und Helligkeitssteuerung effizienter zu gestalten.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Bereiche umfassen VLSI-Systemdesign, ASIC-Entwicklungsprozesse, LED-Display-Architekturen sowie die Implementierung von PWM- und PDM-Techniken zur Lichtsteuerung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, einen dedizierten Chip zu entwerfen, der serielle Daten empfängt und lokal die für die Ansteuerung der LEDs notwendigen Signale erzeugt, um bestehende FPGA-basierte Lösungen zu optimieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein Top-Down-ASIC-Design-Ansatz verfolgt, der Verhaltenssimulationen, logische Synthese und anschließendes Layout-Design unter Nutzung von Mentor-Graphics-EDA-Tools beinhaltet.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die Architektur des Controllers, die Verilog-HDL-Codierung, die verschiedenen Simulationsphasen (Verhalten und Post-Synthese) sowie die schaltungstechnische Verifikation.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
ASIC, PWM, PDM, RGB-LED, Pixeltreiber, VLSI-Design, Verilog, Hardware-Entwurf und Systemoptimierung.
Warum wurde PDM in den Entwurf integriert?
Die Pulsdichtemodulation (PDM) wurde hinzugefügt, um eine globale Helligkeitssteuerung zu ermöglichen und die Komplexität der Datenübertragung zu verringern.
Wie wurde die Korrektheit des Designs verifiziert?
Die Verifizierung erfolgte durch den Vergleich der Ergebnisse der verhaltensbasierten Simulation mit der Post-Synthese-Simulation unter Verwendung von ModelSim.
Welche Herausforderung stellte sich bei der Synthese?
Eine große Herausforderung war die fehlerhafte Generierung von virtuellen Komponenten durch den Synthesizer, was durch eine präzisere Signalkontrolle und ein optimiertes HDL-Design gelöst wurde.
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- AHMED SHUJA (Author), 2011, Dedicated Chip Design for the Generation of colors through RGB LEDs, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/233255
