SoC FPGA芯片的異步全彩LED顯示控制器解決方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 SoC FPGA芯片的異步全彩LED顯示控制器解決方案 1 LED顯示屏市場概況 全彩LED顯示被普遍應(yīng)用于戶外及室內(nèi)的大型廣告、舞臺(tái)背景等場合（大多是同步顯示），隨著價(jià)格的下降，全彩LED顯示已經(jīng)開始被使用于門楣廣告（異步顯示）。當(dāng)前門楣廣告一般采用單雙色LED顯示，市場需求大。與單雙LED相比，全彩LED能夠展現(xiàn)更豐富的內(nèi)容，如真彩圖片，動(dòng)畫，視頻等，全彩LED顯示將是門楣廣告屏的發(fā)展趨勢。 圖1:中國LED顯示屏產(chǎn)值（數(shù)據(jù)：GLII） 2 市場流行方案的介紹 目前市場上比較流行的方案有以下幾種： 1） ARM-CortexA8 + FPGA解決方案： 圖2

2、:ARM-CortexA8 + FPGA方案框圖 特點(diǎn)：功能齊全，其中ARM Cortex-A8可以實(shí)現(xiàn)對主流視頻格式的解碼，但是方案成本偏高，對于門楣廣告這種小屏顯示的使用場景來說有些浪費(fèi)。 2） ARM Cortex-M4解決方案： 圖3:ARM Cortex-M4方案框圖 特點(diǎn)：構(gòu)造簡單，但是由于沒有使用FPGA,ARM Cortex-M4的實(shí)時(shí)性及速度無法滿足全彩LED顯示的控制要求，所以只能實(shí)現(xiàn)“七彩”顯示，而不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的全彩顯示。 3） FPGA解決方案： 圖4:單FPGA方案框圖 特點(diǎn)：是同步全彩控制系統(tǒng)的一個(gè)衍生產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)簡單的錄制，功能相對單一。 3 京微雅格SoC

3、FPGA方案 京微雅格CME-M5系列 FPGA集成了增強(qiáng)型8051 MCU,兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，12倍于標(biāo)準(zhǔn)8051的MIPS,頻率可達(dá)200MHz,支持高達(dá)8MB數(shù)據(jù)及代碼空間擴(kuò)展，支持硬件32/16- bit MDU（Multiplication Division Unit），128K Byte SPRAM,可作為8051的代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，集成片上調(diào)試系統(tǒng)OCDS,支持JTAG在線調(diào)試；外設(shè)有3個(gè)16-bit定時(shí)器，1個(gè)16-bit看門狗，1個(gè)I2C接口，1個(gè)SPI接口，2個(gè)USART接口，1個(gè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，8通道DMA;支持STOP,IDLE電源管理模式。支持基于 MSS（Mi

4、crocontroller Subsystem）的系統(tǒng)編程、系統(tǒng)多配置、系統(tǒng)在線更新、動(dòng)態(tài)頻率切換等特性。CME-M5內(nèi)部構(gòu)造框圖見圖5. 圖5:京微雅格CME-M5器件構(gòu)造框圖 在本設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)型 8051實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)對NandFlash / SD卡的訪問，顯示特效處理，并調(diào)度FPGA功能模塊實(shí)現(xiàn)LED顯示。FPGA則負(fù)責(zé)LED刷新控制，其功能包含：灰度控制、刷新率控制、亮度控制、伽馬校正等。PC提供人機(jī)交互，讓用戶通過上位機(jī)軟件編輯“節(jié)目”,即需要終在LED屏上顯示的內(nèi)容，包含文本，圖片，視頻以及顯示特效，例如百葉窗，流水等；上位機(jī)軟件把“節(jié)目”轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)據(jù)文件通

5、過以太網(wǎng)傳送給CME-M5,由CME-M5把接收到的數(shù)據(jù)文件寫入NandFlash/SD卡。系統(tǒng)框圖如下： 圖6:基于CME-M5解決方案框圖 CME-M5 FPGA功能描述 1）伽馬校正 根據(jù)LED的響應(yīng)特性，需要對輸入的8位灰度值開展伽馬校正，使之映射到1416位灰度值，這部分功能是FPGA通過查表方式的實(shí)現(xiàn)的。伽馬校正的參數(shù)可以通過PC上位機(jī)開展修改。 2）灰度控制 下面以8bit/256級(jí)灰度作為例子，闡述LED灰度控制原理。對于RGB三基色LED顯示，256級(jí)灰度意味著R、G、B各使用8bit來表示灰度值（28=256,即256級(jí)灰度）。每顆LED有獨(dú)立的R、G、B三個(gè)信號(hào)供FPGA

6、分別控制。 全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片通常分為自帶PWM的恒流源以及不帶PWM的恒流源。接下來以不帶PWM的驅(qū)動(dòng)芯片MBI5024為例介紹灰度控制原理。MBI5024的內(nèi)部構(gòu)造框圖見圖7. FPGA向SDI送入每個(gè)像素點(diǎn)R/G/B灰度值，OUT0OUT15連接LED的R/G/B,OE_n控制對應(yīng)每bit灰度值點(diǎn)亮LED時(shí)間的長短。 8bit/256級(jí)灰度控制，通常使用19場方式，假設(shè)子場的周期為T,那么一個(gè)刷新周期的總時(shí)間為19T.19場被分為8份，時(shí)間分別為 8T,4T,2T,1T,1T,1T,1T,1T;OE_n有效時(shí)間分別為8T,4T,2T,1T,1/2T,1/4T,1/8T,1/16T. 以下

7、介紹如何對R開展灰度控制，G,B的灰度控制原理是類似的。8T對應(yīng)8bit灰度值的位R,其刷新的時(shí)間長度為8T;4T對應(yīng)8bit灰度值的次高位R,其刷新的時(shí)間長度為4T1/16T對應(yīng)位R,其刷新的時(shí)間長度為1/16T.如圖8所示， R在T0周期送出，R在T1周期送出，R在T2周期送出R在T7周期送出。 OUT0OUT15分別連接第0顆第15顆LED的R.使用Ri表示第i顆LED的R灰度值的第j位，以下是操作流程： 1. SDI移入 R0, R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15;R15先移入，R0移入； 2

8、. 使能LE信號(hào)對R0R15鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為8T （即時(shí)序圖中的T0周期）；在此過程中，SDI移入R0R15灰度數(shù)據(jù)； 3. 使能LE信號(hào)對R0R15鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為4T（即時(shí)序圖中的T1周期）；在此過程中，SDI移入并鎖存R0R15灰度數(shù)據(jù)； 4. 使能LE信號(hào)對R0R15鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為1/2T（即時(shí)序圖中的T4周期），1/2T后把OE_n信號(hào)置為無效；在此過程中，SDI移入并鎖存R0R15灰度數(shù)據(jù)； 5. 使能LE信號(hào)對R0R15鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為1/16T（即時(shí)序圖中的T7周期），之后把OE_n信號(hào)置為無效；至此，完

9、成一個(gè)灰度值顯示的刷新周期； 需要說明的是，以上僅以16顆 LED作為例子，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)級(jí)聯(lián)多個(gè)MBI5024芯片，即上MBI5024芯片的SDO連接至下MBI5024的SDI,當(dāng)有N個(gè) MBI5024級(jí)聯(lián)的，相當(dāng)于一個(gè)N*16位的移位存放器，多可以連接N*16顆LED的R/G/B.操作流程與上面介紹的7個(gè)步驟類似。 圖7:MBI5024器件原理框圖 圖8:8bit/256級(jí)灰度控制時(shí)序圖 在一個(gè)灰度刷新周期內(nèi)（19T），OE總有效時(shí)間為：8T + 4T + 2T + 1T + 1/2T + 1/4T + 1/8T + 1/16T = 15.9375T,亮度的利用率為：15.9375T/（19

10、T）*100%=83.88%,也就是亮度損失為1 - 83.88% = 16.12%. 對于16bit/65536 級(jí)灰度，常用27子場方式：8T,4T,2T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T;OE_n有效時(shí)間為 8T,4T,2T,1T,1/2T,1/4T,1/8T,1/16T,1/32T,1/64T,1/128T,1/256T,1/512T,1 /1024T,1/2048T,1/4096T;亮度利用率為：15.999755859375 T/（27T）*100%=59.26 %,亮度損失為1 - 59.26 % = 40.74%. 使用不同數(shù)量的子場，亮度的利用率是不同的，例

11、如：16bit/65536級(jí)灰度也可以采用42子場方式，即：16T,8T,4T,2T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T;OE_n有效時(shí)間為16T,8T,4T,2T,T,1/2T,1 /4T,1/8T,1/16T,1/32T,1/64T,1/128T,1/256T,1/512T,1/1024T,1/2048T,亮度利用率為：31.99951171875 T/（42T） *100%=59.26 % = 76.19%,亮度損失為1 - 76.19%= 23.81%. 3）刷新率 驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率、 LED屏的掃描方式（靜態(tài)16掃）以及尋址數(shù)固定以后，子場的時(shí)間T也就隨之定下來，以

12、16bit/65536級(jí)灰度為例，如果采用27子場的方式，刷新率約為：F=1/（ 27*T），OE_n脈寬為T /4096;如果采用42子場的方式，刷新率約為：F=1/（ 42*T），OE_n脈寬為T /2048.考慮到其他時(shí)間開銷，實(shí)際的刷新率F會(huì)比以上估算值略低。 可以看出在子場時(shí)間T一定的情況下，后者（42T）的刷新率比前者低（27T），但是亮度的利用率比前者高，OE_n脈寬比前者長（對于驅(qū)動(dòng)芯片來說，OE_n的脈寬值是有限制的，當(dāng)脈寬太窄時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片將無法識(shí)別），所以，具體設(shè)計(jì)需根據(jù)實(shí)際情況做權(quán)衡。為了提高視覺刷新率（Visual Refresh Rate），可以把灰度值的高位打散成多

13、段分布在刷新周期內(nèi)；對動(dòng)態(tài)掃描屏，還可以把實(shí)現(xiàn)灰度值的所有子場分割成多份，在刷新每一行時(shí)，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切換速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接著刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，從而提高視覺刷新率。通過優(yōu)化的 PWM編碼，不僅可以提高視覺刷新率，也能夠提高LED亮度利用率。 CME-M5 8051功能描述 200MHz主頻 8051 MCU是整個(gè)系統(tǒng)的主控，負(fù)責(zé)與PC的通信，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，通過以太網(wǎng)接收來自于PC端的節(jié)目內(nèi)容，并以文件方式寫入SD卡開展節(jié)目更新，同時(shí)，8051也負(fù)責(zé)節(jié)目特效處理； 另外，8051采集溫度傳感器、濕度傳感器信息，顯示在LED屏幕上；采集環(huán)境光傳感器，實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過紅外遙控實(shí)現(xiàn)節(jié)目切換。CME-M5已集成了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，無需外擴(kuò)芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時(shí)，分，秒，星期等信息；支持?jǐn)?shù)字時(shí)鐘及模擬時(shí)鐘顯示。 4 結(jié)語 通過采用F