目前,，顯示屏" title="顯示屏">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" title="獨立視頻">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" title="ARM">ARM+FPGA" title="FPGA">FPGA的架構(gòu)，充分利用了ARM的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" title="控制器">控制器，更可以將各顯示節(jié)點組成大型的戶外廣告?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系統(tǒng)
LED顯示屏的主要性能指標(biāo)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(biāo)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(biāo)進行適當(dāng)?shù)娜∩?。通?；叶燃墶⒘炼群蛨鰭呙桀l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(dāng),，再通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 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 uClinux實現(xiàn),。ARM (ADVANCED RISC 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(biāo)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uClinux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INTEL XScale系列的PXA255芯片,，與ARM v5TE指令集兼容，沿用了ARM的內(nèi)存管理,、中斷處理等機制,，并在此基礎(chǔ)上做了一些擴展，如DMA控制器,、LCD控制器等,。由于ARM9的處理能力有限，目前只用其播放320×240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 Memory Card),。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)口由于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SMSC公司的高性能100M以太網(wǎng)控制器LAN9118,。
3 視頻數(shù)據(jù)分發(fā)
由于控制器采用陣列模式，因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3×12位(可顯示多達64G種顏色)、控制區(qū)域為128×128點,。系統(tǒng)播放單元提供的數(shù)據(jù)為 320×240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數(shù)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 LCD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SDRAM作為主存儲器,，而各模塊也有相應(yīng)FIFO作為Cache,SDRAM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碎發(fā)讀寫方式,，而不能像SRAM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)存都有自己的屬性,，標(biāo)志是使用中的內(nèi)存，還是空閑內(nèi)存,，以及當(dāng)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(dāng)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。
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。
總線調(diào)度器的仲裁算法為:逐點校正參數(shù)與校正后數(shù)據(jù)寫人SDRAM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, FPGA將其存入SDRAM 中,。此后，即可對LCD接口輸入的數(shù)據(jù)進行校正,。
3.4 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 Differential Signal,，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Cyclone II系列FPGA可以方便地通過I/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(dāng)前行號+ID號組成。由于圖像的連續(xù)像素值的相關(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(dāng)前行號用于控制器判斷是否出現(xiàn)丟幀,，并根據(jù)當(dāng)前的行號決定當(dāng)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn),，數(shù)據(jù)在發(fā)送時ID為零。
4 全彩色LED顯示控制器
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(Gamma校正和交織后)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),。
總線仲裁算法為:控制輸出模塊和寫人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(dāng)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×ID- 128×(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
Gamma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,。
總線調(diào)度器將交織后的數(shù)據(jù)寫入本模塊的FIFO。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(320×240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Gamma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,。