2021年06月02日 | 基于ARM和FPGA的全彩独立视频LED系统设计

目前，显示屏按数据的传输方式主要有两类：一类是采用与计算机显示同一内容的实时视频屏;另一类为通过USB、以太网等通信手段把显示内容发给显示屏的独立视频源显示屏，若采用无线通信方式，还可以随时更新显示内容，灵活性高。此外，用一套嵌入式系统取代计算机来提供视频源，既可以降低成本，又具有很高的可行性和灵活性，易于工程施工。因此，独立视频源LED显示系统的需求越来越大。

本系统采用ARM+FPGA的架构，充分利用了ARM的超强处理能力和丰富的接口，实现真正的网络远程操作，因此不仅可以作为一般的LED显示屏控制器，更可以将各显示节点组成大型的户外广告传媒网络。而FPGA是一种非常灵活的可编程逻辑器件，可以像软件一样编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，提高了系统效率。

1 独立视频LED系统

LED显示屏的主要性能指标有场扫描频率、分辨率、灰度级和亮度等。分辨率指的是控制器能控制的LED管的数量，灰度级是对颜色的分辨率，而亮度高则要求每个灰度级的显示时间长。显然，这3个指标都会使得场扫描频率大幅度降低，因此需要在不同的场合对这些指标进行适当的取舍。通常灰度级、亮度和场扫描频率由单个控制器决定，而分辨率可以通过控制器阵列的方式得到很大的提高。这样，每个控制器的灰度和亮度很好，场扫描频率也适当，再通过控制器阵列的形式，实现大的控制面积，即可实现颜色细腻的全彩色超大屏幕的LED显示控制器。独立视频LED系统完全脱离计算机的控制，本身可以实现通信、视频播放、数据分发、扫描控制等功能。为了实现大屏幕、全彩色、高场频，本系统采用控制器阵列模式，如图1所示。

图1 独立视频LED系统结构

系统可以通过网络接口（以太网接口）由网络服务器端更新本地的数据，视频播放部分则通过对该数据进行解码，获得RGB格式的视频流。再通过数据分发单元，将这些数据分别发送到不同的LED显示控制器上，控制器将播放单元提供的数据显示到全彩色大屏幕LED上。

2 通信接口和视频播放单元

本系统的通信接口和视频播放部分由ARMuClinux实现。ARM （Advanced RISC Machine）是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC微处理器体系结构，设计目标是实现微型化、低功耗、高性能的微处理器。Linux作为一种稳定高效的开放源码式操作系统，在各个领域都得到了广泛的应用，而uClinux则是专门针对微控制领域而设计的Linux系统，具有可裁减、内核小、完善的网络接口协议和接口、优秀的文件系统以及丰富的开源资源等优点，正被越来越多的嵌入式系统采纳。系统中使用Intel XScale系列的PXA255芯片，与ARM v5TE指令集兼容，沿用了ARM的内存管理、中断处理等机制，并在此基础上做了一些扩展，如DMA控制器、LCD控制器等。由于ARM9的处理能力有限，目前只用其播放320×240像素的视频。

系统视频播放的数据来自于系统中的SD存储卡（Secure Digital Memory Card）。更新SD卡的数据有两种方式：一种是用计算机更新SD卡的数据;另一种是通过网络接收服务器的数据，直接由ARM更新SD卡。此外，播放器也可以直接播放网络传送的MPEG-4格式数据口由于XScale未提供物理层接口，若想实现网络功能需外接一片物理层芯片。本系统选用SMSC公司的高性能100M以太网控制器LAN9118。

3 视频数据分发

由于控制器采用阵列模式，因此需要对视频源提供的数据进行分发，将不同行列的数据正确地送入不同的控制器。

3.1 数据分发单元方案

本系统中的LED控制器灰度级高达3×12位（可显示多达64G种颜色）、控制区域为128×128点。系统播放单元提供的数据为320×240像素，因此需要分解成6个LED控制器来控制（见图1）。因此，需要将PXA255提供的RGB数据分3组发送到这6块控制器，以FPGA实现，方案如图2所示。

图2 数据分发单元方案

LCD接口子模块接收PXA255 LCD接口的数据和控制信号，将这些输入的数据进行逐点校正之后存入SDRAM，然后将该场数据分成3 组，每组128行（最后一组只有64行，为了后面控制板的一致性，此处由总线调度器补零），同时发送，之后由LED显示控制器处理。

3.2 存储器分配和总线调度

为了方便各模块间的接口，有利于不同时钟域的数据同步，系统的存储器采用两级存储模式，即SDRAM作为主存储器，而各模块也有相应FIFO作为Cache， SDRAM具有容量大、带宽高、价格便宜等优点;但是控制比较复杂，每次读写有多个控制和等待周期。因此为了提高效率，通常采用地址递增的碎发读写方式，而不能像SRAM那样随时读取任意地址的数据。

本方案采用完全动态的内存分配机制，即每个模块请求时，如果不是同一场数据，则可以分配到一块新的内存，而一旦该内存的数据不再有效，则释放这块内存。这样，每块内存都有自己的属性，标志是使用中的内存，还是空闲内存，以及当前内存中的数据是否在等待被使用的队列中，因此内存需要分成3块。其中一块存储逐点校正参数，一块存储当前场数据，另一块存储上一场数据（即正在发送的数据）。这就要求在一个场同步周期内需要将数据发送完毕，而这一要求是完全可以达到的。

总线调度是本模块的核心部分，必须精确计算总线带宽的占用情况，确定各部分FIFO的深度，以保证各个FIFO不会出现溢出或读空的现象。

总线调度器需要调度3块存储器，还需要为每一个模块维护一个偏移地址的首地址，以及一个偏移地址计数寄存器。为了便于计算偏移地址，用SDRAM物理上的两行存储一行的数据，而将多余部分空余。

总线调度器的仲裁算法为：逐点校正参数与校正后数据写人SDRAM的优先级一样，采用先来先得的方式占用总线，分别由各自FIFO的指针来触发总线占用。一场数据写入SDRAM完毕之后，开始发送。需要依次读出第n，n+ 128，n+ 256行的数据给数据发送FIFO0，1，2，等待数据发送单元启动发送。

3.3 LCD接口和逐点校正

PXA255 的LCD接口配置为smart panel形式，具体时序关系可参考PXA255的手册。FPGA根据这些时序关系，将数据读入，进行下一步的处理。

由于在生产过程中LED管的参数不可能完全一致，因此为了获得良好的图像显示效果，必须对LED管进行筛选。这也是LED屏价格昂贵的一个重要原因。

采用逐点校正技术，可逐点调节LED的亮度，将显示屏亮度的一致性提高一个数量等级，从而可以使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面的要求，LED采购的成本也随之大大降低。此外，系统采用的逐点校正技术，可以在线修改校正参数，使得LED屏在投入运营之后也可以修改校正参数，补偿由于LED管老化对显示效果的影响，提高LED屏的使用寿命。因此，逐点校正技术使LED模块作为室内外全彩色显示屏的基本元件成为理想方案。

逐点校正参数存于SD卡中，在系统上电之后，ARM首先将该数据通过LCD接口（此时配置为GPIO）传送到FPGA， FPGA将其存入SDRAM 中。此后，即可对LCD接口输入的数据进行校正。

3.4 数据发送

在数据发送时，每行数据作为1帧，加入特定的帧头之后开始发送。为了减少总线数量，采用串行总线形式，每组信号共有4路，分别是源同步时钟和RGB三基色的串行数据。信号均以LVDS（Low Voltage Differential Signal，低电压差分信号）的形式传输。LVDS采用差分方式传送数据，有比单端传输更强的共模噪声抑制能力，可实现长距离、高速率和低功耗的传输。Altera公司的Cyclone II系列FPGA可以方便地通过I/O配置获得LVDS的能力。

发送帧头由4字节的同步头+数据当前行号+ID号组成。由于图像的连续像素值的相关性比较高，因此使用伪随机码作为同步头，其同步性能比较可靠。当前行号用于控制器判断是否出现丢帧，并根据当前的行号决定当前数据的存储地址。由于每一组数据实际上由两个控制器分别处理（见图1），所以需要判断标志来截取不同的数据部分。ID号即是不同控制器截取某行中不同列数的标准，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、转换和处理串入的RGB三基色信号，以一定的规律和方式将信号传送到LED显示屏上显示。控制器直接决定了显示屏的显示效果，也决定了LED显示屏性能的优劣。控制器的结构如图3所示。

图3 显示控制器结构框图

控制器的架构与数据分发类似，也采用二级存储模式，主要有数据接收、Gamma校正和交织、扫描控制输出以及总线调度和SDRAM控制四部分。

4.1 存储器分配和总线调度

由于数据输入场频与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，该场数据的处理结果（Gamma校正和交织后）需要写入SDRAM，而此时扫描一场没有结束，即正在读的那个区域不能覆盖，而上一场的数据还没有显示也不能覆盖，因此交织地写入（即扫描的读出）需要开辟三块分区。

总线仲裁算法为：控制输出模块和写人模块采用先来先得的算法，而校正和交织过程的读写，则优先级最低，可以在前面二者申请时被挂起，只有当前二者不再需要总线时，才可以分配到总线的使用权。

4.2 数据接收

数据接收单元除了需要同步判决、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×ID-128×（ID+1）-1列的数据，同时将ID号加1，其他数据原样输出，送给下一级控制器。这样的控制方法比常用的拨码开关法更加灵活可靠。

4.3 Gamma校正和交织

Gamma校正可以使LED显示效果更接近于人眼的生理特性，而且由于PXA255输出的是8位数据，系统需要将其校正为12位，大大提高了显示的对比度。由于LED显示控制器采用逐位显示的方法，输入的数据与输出到LED显示屏上的数据组织形式不一样：前者按像素点排列，而后者则按像素数值的不同位数组织。

4.4 控制输出

12位数据显示的时间分别为（64，32，16，8，4，2，1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32） * 128 * Tsclk，其中Tsclk为串行移位时钟。交织之后，不同权重的数据显示信号显示有效时间不同，即可达到显示的效果。

总线调度器将交织后的数据写入本模块的FIFO。由模块内部生成读取该FIFO的控制信号，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的有效时间。

5 结论

实验测试结果表明，该系统亮度合适，使用分辨率细腻（64G色），场扫描频率高（约400 Hz），像素高（320×240点），可用于户外广播级应用。该设计通过逐点调节亮度，从而可以使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面的要求，LED采购的成本也随之降低，从8位增至12位使图像的颜色等级大大增加，特别在低亮度区可使图像完美再现，而Gamma校正则使LED显示屏所进行的亮度变换更符合人眼的生理特点。此外，除接收来自ARM的信号外，还可通过HDMI接口接收来自机顶盒的数据信号，有广阔的市场应用前景。