LED顯示屏控制系統(tǒng)介紹版本

1、LED顯示屏控制系統(tǒng)介紹LED顯示屏控制系統(tǒng)引言目前顯示屏按數(shù)據(jù)的傳輸方式主要有兩類： 一類是采用與計算機顯示同一內(nèi) 容的實時視頻屏；另一類為通過 USB以太網(wǎng)等通信手段把顯示內(nèi)容發(fā)給顯示屏 的獨立視頻源顯示屏，若采用無線通信方式，還可以隨時更新顯示內(nèi)容，靈活性 高。此外，用一套嵌入式系統(tǒng)取代計算機來提供視頻源，既可以降低成本，又具 有很高的可行性和靈活性，易于工程施工。因此，獨立視頻源LED顯示系統(tǒng)的需 求越來越大。本系統(tǒng)采用ARM+FPG的架構(gòu)，充分利用了 ARM勺超強處理能力和豐富的接 口，實現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)遠程操作，因此不僅可以作為一般的LED顯示屏控制器，更 可以將各顯示節(jié)點組成大型的戶

2、外廣告?zhèn)髅骄W(wǎng)絡(luò)。而FPGA是一種非常靈活的可編程邏輯器件，可以像軟件一樣編程來配置，從而可以實時地進行靈活而方便的 更改和開發(fā)，提高了系統(tǒng)效率。1獨立視頻LED顯示屏控制系統(tǒng)LED顯示屏的主要性能指標有場掃描頻率、分辨率、灰度級和亮度等。分辨 率指的是控制器能控制的LED管的數(shù)量，灰度級是對顏色的分辨率，而亮度高則 要求每個灰度級的顯示時間長。顯然，這3個指標都會使得場掃描頻率大幅度降 低，因此需要在不同的場合對這些指標進行適當?shù)?取舍。通?；叶燃?、亮度和場掃描頻率由單個控制器決定， 而分辨率可以通過控 制器陣列的方式得到很大的提高。 這樣，每個控制器的灰度和亮度很好，場掃描 頻率也適當，再通

3、過控制器陣列的形式，實現(xiàn)大的控制面積，即可實現(xiàn)顏色細膩 的全彩色超大屏幕的LED顯示控制器。獨立視頻LED系統(tǒng)完全脫離計算機的控制，本身可以實現(xiàn)通信、視頻播放、 數(shù)據(jù)分發(fā)、掃描控制等功能。為了實現(xiàn)大屏幕、全彩色、高場頻，本系統(tǒng)采用控 制器陣列模式，如圖1所示。系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)接口(以太網(wǎng)接口)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端更新本地的數(shù)據(jù)，視頻 播放部分則通過對該數(shù)據(jù)進行解碼， 獲得RGB格式的視頻流。再通過數(shù)據(jù)分發(fā)單 元，將這些數(shù)據(jù)分別發(fā)送到不同的LED顯示控制器上，控制器將播放單元提供的 數(shù)據(jù)顯示到全彩色大屏幕LED上。2 LED顯示屏控制系統(tǒng)通信接口和視頻播放單元本系統(tǒng)的通信接口和視頻播放部分由 ARM+

4、uCli nux實現(xiàn)。ARM(Adva ncecRISC Machine)是英國ARM公司設(shè)計開發(fā)的通用32位RISC微處理器體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計目 標是實現(xiàn)微型化、低功耗、高性能的微處理器。Linux作為一種穩(wěn)定高效的開放源碼式操作系統(tǒng)，在各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而uCIinux則是專門針對微 控制領(lǐng)域而設(shè)計的Linux系統(tǒng)，具有可裁減、內(nèi)核小、完善的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議和接 口、優(yōu)秀的文件系統(tǒng)以及豐富的開源資源等優(yōu)點，正被越來越多的嵌入式系統(tǒng)采納。系統(tǒng)中使用In tel XScale 系列的PXA255芯片，與ARM v5TE旨令集兼容， 沿用了 ARM勺內(nèi)存管理、中斷處理等機制，并在此基礎(chǔ)上做了一

5、些擴展，如DMA控制器、LCDE制器等。由于ARM9勺處理能力有限，目前只用其播放 320X 240 像素的視頻。系統(tǒng)視頻播放的數(shù)據(jù)來自于系統(tǒng)中的 SD存儲卡（Secure Digital MemoryCard）。更新SD卡的數(shù)據(jù)有兩種方式：一種是用計算機更新 SD卡的數(shù)據(jù)；另一 種是通過網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，直接由 ARM更新SD卡。此外，播放器也可以 直接播放網(wǎng)絡(luò)傳送的MPEG-4格式數(shù)據(jù)。由于XScale未提供物理層接口，若想實 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能需外接一片物理層芯片。本系統(tǒng)選用SMS（公司的高性能100M以太網(wǎng) 控制器LAN91183 LED顯示屏控制系統(tǒng)視頻數(shù)據(jù)分發(fā)由于控制器采用陣列模式，因

6、此需要對視頻源提供的數(shù)據(jù)進行分發(fā)， 將不同 行列的數(shù)據(jù)正確地送入不同的控制器。3.1數(shù)據(jù)分發(fā)單元方案本系統(tǒng)中的LED控制器灰度級高達3X 12位（可顯示多達64G種顏色）、控制 區(qū)域為128X128點。系統(tǒng)播放單元提供的數(shù)據(jù)為320X 240像素，因此需要分解 成6個LED控制器來控制（見圖1）。因此，需要將PXA255提供的RGB據(jù)分3 組發(fā)送到這6塊控制器，以FPGA實現(xiàn)，方案如圖2所示。LCD接 口子模塊接收PXA255 LC接口的數(shù)據(jù)和控制信號，將這些輸入的數(shù) 據(jù)進行逐點校正之后存入SDRAM然后將該場數(shù)據(jù)分成3組，每組128行（最后 一組只有64 行,為了后面控制板的一致性，此處由總

7、線調(diào)度器補零），同時發(fā)送， 之后由LED顯示控制器處理。3.2存儲器分配和總線調(diào)度為了方便各模塊間的接口，有利于不同時鐘域的數(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)的存儲器采 用兩級存儲模式，即SDRAMs為主存儲器，而各模塊也有相應(yīng) FIFO作為Cacha SDRAI具有容量大、帶寬高、價格便宜等優(yōu)點；但是控制比較復(fù)雜，每次讀寫有 多個控制和等待周期。因此為了提高效率，通常采用地址遞增的猝發(fā)讀寫方式， 而不能像SRAh那樣隨時讀取任意地址的數(shù)據(jù)。本方案采用完全動態(tài)的內(nèi)存分配機制， 即每個模塊請求時，如果不是同一場 數(shù)據(jù)，則可以分配到一塊新的內(nèi)存，而一旦該內(nèi)存的數(shù)據(jù)不再有效，則釋放這塊 內(nèi)存。這樣，每塊內(nèi)存都有自己的屬

8、性，標志是使用中的內(nèi)存，還是空閑內(nèi)存， 以及當前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是否在等待被使用的隊列中，因此內(nèi)存需要分成3塊。其中一塊存儲逐點校正參數(shù)，一塊存儲當前場數(shù)據(jù)，另一塊存儲上一場數(shù)據(jù)（即正在發(fā)送的數(shù)據(jù)）。這就要求在一個場同步周期內(nèi)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，而這一要 求是完全可以達到的?？偩€調(diào)度是本模塊的核心部分，必須精確計算總線帶寬的占用情況，確定各 部分FIFO的深度，以保證各個FIFO不會出現(xiàn)溢出或讀空的現(xiàn)象。總線調(diào)度器需要調(diào)度3塊存儲器，還需要為每一個模塊維護一個偏移地址的 首地址，以及一個偏移地址計數(shù)寄存器。 為了便于計算偏移地址，用SDRAM物理 上的兩行存儲一行的數(shù)據(jù)，而將多余部分空余?？偩€調(diào)度

9、器的仲裁算法為：逐點校正參數(shù)與校正后數(shù)據(jù)寫入 SDRA的優(yōu)先級 一樣，采用先來先得的方式占用總線，分別由各自FIFO的指針來觸發(fā)總線占用。 一場數(shù)據(jù)寫入SDRAM完畢之后，開始發(fā)送。需要依次讀出第 n、n+128 n+256 行的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO0、1、2,等待數(shù)據(jù)發(fā)送單元啟動發(fā)送。3.3 LCD接口和逐點校正PXA255的LCD接口配置為smart panel形式，具體時序關(guān)系可參考PXA255的手冊。FPGA根據(jù)這些時序關(guān)系，將數(shù)據(jù)讀入，進行下一步的處理。由于在生產(chǎn)過程中LED管的參數(shù)不可能完全一致，因此為了獲得良好的圖 像顯示效果，必須對LED管進行篩選。這也是LED屏價格昂貴的一

10、個重要原因。采用逐點校正技術(shù)，可逐點調(diào)節(jié) LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高 一個數(shù)量等級，從而可以使采購廠商放寬 LED在亮度和顏色方面的要求，LED 采購的成本也隨之大大降低。此外，系統(tǒng)采用的逐點校正技術(shù)，可以在線修改校 正參數(shù)，使得LED屏在投入運營之后也可以修改校正參數(shù)，補償由于LED管老化對顯示效果的影響，提高LED屏的使用壽命。因此，逐點校正技術(shù)使 LED模 塊作為室內(nèi)外全彩色顯示屏的基本元件成為理想方案。逐點校正參數(shù)存于SD卡中，在系統(tǒng)上電之后，ARM首先將該數(shù)據(jù)通過LCD 接口 （此時配置為GPIO）傳送到FPGA，F(xiàn)PGA將其存入SDRAM中。此后，即 可對LCD接口輸入

11、的數(shù)據(jù)進行校正。3.4 LED顯示屏控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送在數(shù)據(jù)發(fā)送時，每行數(shù)據(jù)作為1幀，加入特定的幀頭之后開始發(fā)送。為了減 少總線數(shù)量，采用串行總線形式，每組信號共有4路，分別是源同步時鐘和RGB三基色的串行數(shù)據(jù)。信號均以 LVDS（Low Voltage Differe ntial Sig nal，低電壓差分信號）的形式傳輸。LVDS采用差分方式傳送數(shù)據(jù)，有比單端傳輸更強的共模 噪聲抑制能力，可實現(xiàn)長距離、高速率和低功耗的傳輸。Altera公司的CycloneII系列FPGA可以方便地通過1/O配置獲得LVDS的能力。發(fā)送幀頭由4字節(jié)的同步頭+數(shù)據(jù)當前行號+ID號組成。由于圖像的連續(xù)像 素值的相

12、關(guān)性比較高，因此使用偽隨機碼作為同步頭，其同步性能比較可靠。當 前行號用于控制器判斷是否出現(xiàn)丟幀，并根據(jù)當前的行號決定當前數(shù)據(jù)的存儲地 址。由于每一組數(shù)據(jù)實際上由兩個控制器分別處理 （見圖1），所以需要判斷標志 來截取不同的數(shù)據(jù)部分。ID號即是不同控制器截取某行中不同列數(shù)的標準，數(shù) 據(jù)在發(fā)送時ID為零。4全彩色LED顯示控制器全彩色LED顯示控制器負責接收、轉(zhuǎn)換和處理串入的 RGB三基色信號， 以一定的規(guī)律和方式將信號傳送到 LED顯示屏上顯示?？刂破髦苯記Q定了顯示 屏的顯示效果，也決定了 LED顯示屏性能的優(yōu)劣?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖 3所示?？刂破鞯募軜?gòu)與數(shù)據(jù)分發(fā)類似，也采用二級存儲模式，主要有

13、數(shù)據(jù)接收、 Gamma校正和交織、掃描控制輸出以及總線調(diào)度和 SDRAM控制四部分。 4.1存儲器分配和總線調(diào)度由于數(shù)據(jù)輸入場頻與LED掃描場頻通常不能成整數(shù)倍關(guān)系，可能出現(xiàn)輸入一 場數(shù)據(jù)結(jié)束，該場數(shù)據(jù)的處理結(jié)果（Gammas正和交織后）需要寫入SDRAM而此 時掃描一場沒有結(jié)束，即正在讀的那個區(qū)域不能覆蓋，而上一場的數(shù)據(jù)還沒有顯 示也不能覆蓋，因此交織地寫入（即掃描的讀出）需要開辟三塊分區(qū)?？偩€仲裁算法為：控制輸出模塊和寫入模塊采用先來先得的算法， 而校正和 交織過程的讀寫，則優(yōu)先級最低，可以在前面二者申請時被掛起，只有當前二者 不再需要總線時，才可以分配到總線的使用權(quán)。4.2數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接

14、收單元除了需要同步判決、串并轉(zhuǎn)換之外，還要確定一行中哪些數(shù)據(jù) 需要本控制器處理。控制器截取每行中第128*ID128*（ID+1）-1列的數(shù)據(jù)，同時將ID號加1,其他數(shù)據(jù)原樣輸出，送給下一級控制器。這樣的控制方法比常 用的撥碼開關(guān)法更加靈活可靠。4.3 Gamma校正和交織Gamm校正可以使LED顯示效果更接近于人眼的生理特性，而且由于PXA255 輸出的是8位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要將其校正為12位，大大提高了顯示的對比度。由于LED顯示控制器采用逐位顯示的方法，輸入的數(shù)據(jù)與輸出到LED顯示屏 上的數(shù)據(jù)組織形式不一樣：前者按像素點排列，而后者則按像素數(shù)值的不同位數(shù) 組織。4.4控制輸出12位數(shù)據(jù)顯示的

15、時間分別為（64、32、16、8、4、2、1、1/2、1/4、1/8、 1/16、1/32）*128*Tsclk，其中Tsclk為串行移位時鐘。交織之后，不同權(quán)重 的數(shù)據(jù)顯示信號顯示有效時間不同，即可達到顯示的效果?？偩€調(diào)度器將交織后的數(shù)據(jù)寫入本模塊的FIF 0。由模塊內(nèi)部生成讀取該FIFO的控制信號，并對其進行計數(shù)。模塊內(nèi)需要對移位個數(shù)及權(quán)重進行計數(shù)， 以決定發(fā)出鎖存信號及顯示信號的有效時間。5結(jié)論實驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)亮度合適，使用分辨率細膩 （64G色），場掃描頻 率高（約400 Hz），像素高（320 X 240點），可用于戶外廣播級應(yīng)用。該設(shè) 計通過逐點調(diào)節(jié)亮度，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購的成本也隨之降低，從8位增至12位使圖像的顏色等級大大增加，特 別在低亮度區(qū)可使圖像完美再現(xiàn)，而Gamm校正則使LED顯示屏所進行的亮度變 換更符合人眼的生理特點。此外，除接收來自ARM的信號外，還可通過HDMI接口接收來自機頂盒的數(shù)據(jù)信號，有廣闊的市場應(yīng)用前景。產(chǎn)業(yè)發(fā)展計劃為促進產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)展，積極推動產(chǎn)業(yè)向高端延伸，2009年下半年及今后一段時期，深圳市將完善八大產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系。這八大產(chǎn)業(yè)鏈包括通信產(chǎn)業(yè)鏈、計算機及外設(shè)產(chǎn)業(yè)鏈、軟件產(chǎn)業(yè)鏈、數(shù)字視聽