LED显示屏控制新版系统介绍.doc

LED显示器控制系统介绍LED显示器控制系统引 言 现在显示器按数据传输方法关键有两类：一类是采取和计算机显示同一内容实时视频屏；另一类为经过USB、以太网等通信手段把显示内容发给显示器独立视频源显示器，若采取无线通信方法，还能够随时更新显示内容，灵活性高。另外，用一套嵌入式系统替换计算机来提供视频源，既能够降低成本，又含有很高可行性和灵活性，易于工程施工。所以，独立视频源LED显示系统需求越来越大。本系统采取ARM+FPGA架构，充足利用了ARM超强处理能力和丰富接口，实现真正网络远程操作，所以不仅能够作为通常LED显示器控制器，更能够将各显示节点组成大型户外广告传媒网络。而FPGA是一个很灵活可编程逻辑器件，能够像软件一样编程来配置，从而能够实时地进行灵活而方便更改和开发，提升了系统效率。1 独立视频LED显示器控制系统LED显示器关键性能指标有场扫描频率、分辨率、灰度级和亮度等。分辨率指是控制器能控制LED管数量，灰度级是对颜色分辨率，而亮度高则要求每个灰度级显示时间长。显然，这3个指标全部会使得场扫描频率大幅度降低，所以需要在不一样场所对这些指标进行合适 取舍。通常灰度级、亮度和场扫描频率由单个控制器决定，而分辨率能够经过控制器阵列方法得到很大提升。这么，每个控制器灰度和亮度很好，场扫描频率也合适，再经过控制器阵列形式，实现大控制面积，即可实现颜色细腻全彩色超大屏幕LED显示控制器。独立视频LED系统完全脱离计算机控制，本身能够实现通信、视频播放、数据分发、扫描控制等功效。为了实现大屏幕、全彩色、高场频，本系统采取控制器阵列模式，图1所表示。系统能够经过网络接口(以太网接口)由网络服务器端更新当地数据，视频播放部分则经过对该数据进行解码，取得RGB格式视频流。再经过数据分发单元，将这些数据分别发送到不一样LED显示控制器上，控制器将播放单元提供数据显示到全彩色大屏幕LED上。2 LED显示器控制系统通信接口和视频播放单元本系统通信接口和视频播放部分由ARM+uClinux实现。ARM(Advanced RISC Machine)是英国ARM企业设计开发通用32位RISC微处理器体系结构，设计目标是实现微型化、低功耗、高性能微处理器。Linux作为一个稳定高效开放源码式操作系统，在各个领域全部得到了广泛应用，而uClinux则是专门针对微控制领域而设计Linux系统，含有可淘汰、内核小、完善网络接口协议和接口、优异文件系统和丰富开源资源等优点，正被越来越多嵌入式系统采纳。系统中使用Intel XScale系列PXA255芯片，和ARM v5TE指令集兼容，沿用了ARM内存管理、中止处理等机制，并在此基础上做了部分扩展，如DMA控制器、LCD控制器等。因为ARM9处理能力有限，现在只用其播放320240像素视频。系统视频播放数据来自于系统中SD存放卡(Secure Digital Memory Card)。更新SD卡数据有两种方法：一个是用计算机更新SD卡数据；另一个是经过网络接收服务器数据，直接由ARM更新SD卡。另外，播放器也能够直接播放网络传送MPEG-4格式数据。因为XScale未提供物理层接口，若想实现网络功效需外接一片物理层芯片。本系统选择SMSC企业高性能100M以太网控制器LAN9118。3 LED显示器控制系统视频数据分发因为控制器采取阵列模式，所以需要对视频源提供数据进行分发，将不一样行列数据正确地送入不一样控制器。3.1 数据分发单元方案本系统中LED控制器灰度级高达312位(可显示多达64G种颜色)、控制区域为128128点。系统播放单元提供数据为320240像素，所以需要分解成6个LED控制器来控制(见图1)。所以，需要将PXA255提供RGB数据分3组发送到这6块控制器，以FPGA实现，方案图2所表示。LCD接口子模块接收PXA255 LCD接口数据和控制信号，将这些输入数据进行逐点校正以后存入SDRAM。然后将该场数据分成3组，每组128行(最终一组只有64行，为了后面控制板一致性，此处由总线调度器补零)，同时发送，以后由LED显示控制器处理。3.2 存放器分配和总线调度为了方便各模块间接口，有利于不一样时钟域数据同时，系统存放器采取两级存放模式，即SDRAM作为主存放器，而各模块也有对应FIFO作为Cache。SDRAM含有容量大、带宽高、价格廉价等优点；不过控制比较复杂，每次读写有多个控制和等候周期。所以为了提升效率，通常采取地址递增猝发读写方法，而不能像SRAM那样随时读取任意地址数据。本方案采取完全动态内存分配机制，即每个模块请求时，假如不是同一场数据，则能够分配到一块新内存，而一旦该内存数据不再有效，则释放这块内存。这么，每块内存全部有自己属性，标志是使用中内存，还是空闲内存，和目前内存中数据是否在等候被使用队列中，所以内存需要分成3块。其中一块存放逐点校正参数，一块存放目前场数据，另一块存放上一场数据(即正在发送数据)。这就要求在一个场同时周期内需要将数据发送完成，而这一要求是完全能够达成。总线调度是本模块关键部分，必需正确计算总线带宽占用情况，确定各部分FIFO深度，以确保各个FIFO不会出现溢出或读空现象。总线调度器需要调度3块存放器，还需要为每一个模块维护一个偏移地址首地址，和一个偏移地址计数寄存器。为了便于计算偏移地址，用SDRAM物理上两行存放一行数据，而将多出部分空余。总线调度器仲裁算法为：逐点校正参数和校正后数据写入SDRAM优先级一样，采取先来先得方法占用总线，分别由各自FIFO指针来触发总线占用。一场数据写入SDRAM完成以后，开始发送。需要依次读出第n、n+128、n+256行数据给数据发送FIFO 0、1、2，等候数据发送单元开启发送。3.3 LCD接口和逐点校正PXA255LCD接口配置为smart panel形式，具体时序关系可参考PXA255手册。FPGA依据这些时序关系，将数据读入，进行下一步处理。因为在生产过程中LED管参数不可能完全一致，所以为了取得良好图像显示效果，必需对LED管进行筛选。这也是LED屏价格昂贵一个关键原因。采取逐点校正技术，可逐点调整LED亮度，将显示器亮度一致性提升一个数量等级，从而能够使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面要求，LED采购成本也随之大大降低。另外，系统采取逐点校正技术，能够在线修改校正参数，使得LED屏在投入运行以后也能够修改校正参数，赔偿因为LED管老化对显示效果影响，提升LED屏使用寿命。所以，逐点校正技术使LED模块作为室内外全彩色显示器基础元件成为理想方案。逐点校正参数存于SD卡中，在系统上电以后，ARM首先将该数据经过LCD接口(此时配置为GPIO)传送到FPGA，FPGA将其存入SDRAM中。以后，即可对LCD接口输入数据进行校正。3.4 LED显示器控制系统数据发送在数据发送时，每行数据作为1帧，加入特定帧头以后开始发送。为了降低总线数量，采取串行总线形式，每组信号共有4路，分别是源同时时钟和RGB三基色串行数据。信号均以LVDS(Low Voltage Differential Signal，低电压差分信号)形式传输。LVDS采取差分方法传送数据，有比单端传输更强共模噪声抑制能力，可实现长距离、高速率和低功耗传输。Altera企业Cyclone II系列FPGA能够方便地经过IO配置取得LVDS能力。发送帧头由4字节同时头+数据目前行号+ID号组成。因为图像连续像素值相关性比较高，所以使用伪随机码作为同时头，其同时性能比较可靠。目前行号用于控制器判定是否出现丢帧，并依据目前行号决定目前数据存放地址。因为每一组数据实际上由两个控制器分别处理(见图1)，所以需要判定标志来截取不一样数据部分。ID号即是不一样控制器截取某行中不一样列数标准，数据在发送时ID为零。4 全彩色LED显示控制器全彩色LED显示控制器负责接收、转换和处理串入RGB三基色信号，以一定规律和方法将信号传送到LED显示器上显示。控制器直接决定了显示器显示效果，也决定了LED显示器性能优劣。控制器结构图3所表示。控制器架构和数据分发类似，也采取二级存放模式，关键有数据接收、Gamma校正和交织、扫描控制输出和总线调度和SDRAM控制四部分。4.1 存放器分配和总线调度因为数据输入场频和LED扫描场频通常不能成整数倍关系，可能出现输入一场数据结束，该场数据处理结果(Gamma校正和交织后)需要写入SDRAM，而此时扫描一场没有结束，即正在读那个区域不能覆盖，而上一场数据还没有显示也不能覆盖，所以交织地写入(即扫描读出)需要开辟三块分区。总线仲裁算法为：控制输出模块和写入模块采取先来先得算法，而校正和交织过程读写，则优先级最低，能够在前面二者申请时被挂起，只有目前二者不再需要总线时，才能够分配到总线使用权。4.2 数据接收数据接收单元除了需要同时判决、串并转换之外，还要确定一行中哪些数据需要本控制器处理。控制器截取每行中第128*ID128*(ID+1)-1列数据，同时将ID号加1，其它数据原样输出，送给下一级控制器。这么控制方法比常见拨码开关法愈加灵活可靠。4.3 Gamma校正和交织Gamma校正能够使LED显示效果更靠近于人眼生理特征，而且因为PXA255输出是8位数据，系统需要将其校正为12位，大大提升了显示对比度。因为LED显示控制器采取逐位显示方法，输入数据和输出到LED显示器上数据组织形式不一样：前者按像素点排列，以后者则按像素数值不一样位数组织。4.4 控制输出12位数据显示时间分别为(64、32、16、8、4、2、1、12、14、18、116、132)*128*Tsclk，其中Tsclk为串行移位时钟。交织以后，不一样权重数据显示信号显示有效时间不一样，即可达成显示效果。总线调度器将交织后数据写入本模块FIFO。由模块内部生成读取该FIFO控制信号，并对其进行计数。模块内需要对移位个数及权重进行计数，以决定发出锁存信号及显示信号有效时间。5 结 论试验测试结果表明，该系统亮度适宜，使用分辨率细腻(64G色)，场扫描频率高(约400 Hz)，像素高(320240点)，可用于户外广播级应用。该设 计经过逐点调整亮度，从而能够使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面要求，LED采购成本也随之降低，从8位增至12位使图像颜色等级大大增加，尤其在低亮度区可使图像完美再现，而Gamma校正则使LED显示器所进行亮度变换更符合人眼生理特点。另外，除接收来自ARM信号外，还可经过HDMI接口接收来自机顶盒数据信号，有宽广市场应用前景。产业发展计划为促进产业实现稳定发展，主动推进产业向高端延伸，下六个月及以后一段時期，深圳市将完善八大产业链构建現代产业体系。這八大产业链包含通信产业链、計算机及外设产业链、软件产业链、数字视听产业链、集成电路产业链、新型平板显示产业链、第三代移动通信产业链和LED产业链。据了解，在完善LED产业链方面，将关键发展GaN基蓝光和绿光外延片和InGaAlP紅光和黃光外延片及芯片、中高端封裝产品、全彩显示器、彩屏幕墙、太阳能LED、特种工作照明灯具、景观照明灯、汽车照明灯、全彩背光源、大尺寸LCD背光源等中高端应用产品，做大做強从外延、芯片、封装到应用较為完整半导体照明产业链。在不停完善产业创新基础，深入提升企业自主创新水平，加紧培育一批创新能力強、成长性好企业。