基于网口传输的LED同步屏控制系统及其FPGA实现

摘要：介绍一种以FPGA为核心，基于网口传输的全彩高灰度同步LED显示屏控制系统的设计方法。该设计改变传统设计中低效高成本的信号采集和传送方式，改用实时采集DVI接口显示信号、通过网口传输数据，采用高集成度FPGA和大容量SDRAM，采用信号包复用技术同步传送显示数据和控制数据及高效率的灰度切片算法等新技术，具有成本低、显示面积大、显示稳定、刷新率高等特点。
关键词：DVI；FPGA；百兆网口；同步LED显示屏控制系统；同步动态随机存储器；灰度切片算法

LED全彩同步控制系统具有高性能实时显示、节能、环保等优点，成为现代信息发布的重要媒体。本设计改变传统设计中采集显卡VESA信号接口、使用并行多根总线传送数据的方式，改用采集DVI接口、通过网口传输数据，既节省成本也提高了传输效率和传输质量。另外，该设计还采用一系列新技术，例如使用高集成度FPGA作为主控制模块、使用大容量SDRAM代替高成本的等容量SRAM、采用信号包复用技术同步传送显示数据和控制数据、采用高效率的灰度切片算法等等。LED同步屏控制系统具有成本低、显示面积大、显示稳定、刷新率高等特点，是目前市面上非常具有竞争力的显示控制方案。

1 系统原理和结构
系统整体架构如图1所示，主要由两部分组成：采样发送板(STR)和现场控制板(FRC)。通过大规模逻辑及其他组件，实时同步采集计算机输出的显示数据，通过高速缓存、格式转换后，由大容量传输通道传送到LED显示屏现场，最终转换成LED扫描控制信号，在LED显示屏上实现高清晰的视频、图片、文本等节目内容的显示。

1．1 显示信号采集
本设计从电脑的DVI接口采集高清晰显示数据信号。DVI主要基于转换最小差分信号TMDS(Transition Minimizerl Differential signa-ling)技术来传输数字信号。TMDS运用编码算法把8 tit(24位色RGB数据，每色各8 bit)通过最小转换编码转换为10 bit数据(包含行场同步信息、时钟信息、数据DE、纠错等)，并在DC平衡后，采用差分信号传输数据。它比LVDS、TTL具有更好的电磁兼容性能，可用低成本专用电缆实现长距离、高质量数字信号传输。本系统采用专用TFP401A芯片。将计算机显示卡DVI接口输出的TMDS信号转换成TTL电平的RGB三色分离的数据信号。
1．2 显示数据格式转换
DVI接口高速输入的显示信号是串行含灰度的数据，以24位色数据为例，每个颜色的权值数据为8位，即灰度等级为256级(28)。LED显示屏上的灰度实现，是通过控制每一个LED的点亮时间即占空比来实现的，为了更高效的实现不同的灰度，该设计采用全屏幕每个权值独立显示的方式，即控制整个屏幕分别显示1～8个权值的亮度。
整个数据格式转换过程由采集发送板和现场控制板上的2片FPGA以及数据缓存的SDRAM来实现。通过权值分离-缓存-分区提取-数据重整等一系列过程，最终得到LED显示屏的扫描数据。