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基于SoC FPGA芯片的异步全彩LED显示控制器解决方案

作者:时间:2013-09-23来源:网络

1 显示屏市场概况

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/174670.htm

全彩显示被普遍应用于户外及室内的大型广告、舞台背景等场合(大多是同步显示),随着价格的下降,全彩显示已经开始被使用于门楣广告(异步显示)。当前门楣广告一般采用单双色LED显示,市场需求大。与单双LED相比,全彩LED能够展现更丰富的内容,如真彩图片,动画,视频等,全彩LED显示将是门楣广告屏的发展趋势。

图1:中国LED显示屏产值(数据来源:GLII)

2 市场流行方案的介绍

目前市场上比较流行的方案有以下几种:

1) ARM-CortexA8 + FPGA解决方案:

图2:ARM-CortexA8 + FPGA方案框图

特点:功能齐全,其中ARM Cortex-A8可以实现对主流视频格式的解码,但是方案成本偏高,对于门楣广告这种小屏显示的使用场景来说有些浪费。

2) ARM Cortex-M4解决方案:

图3:ARM Cortex-M4方案框图

特点:结构简单,但是由于没有使用FPGA,ARM Cortex-M4的实时性及速度无法满足全彩LED显示的要求,所以只能实现“七彩”显示,而不能实现真正意义上的全彩显示。

3) FPGA解决方案:

图4:单FPGA方案框图

特点:是同步全彩系统的一个衍生产品,实现简单的录制,功能相对单一。

3 京微雅格SoC FPGA方案

京微雅格CME-M5系列 FPGA集成了增强型8051 MCU,兼容标准8051指令集,12倍于标准8051的MIPS,频率最高可达200MHz,支持高达8MB数据及代码空间扩展,支持硬件32/16- bit MDU(Multiplication Division Unit),128K Byte SPRAM,可作为8051的代码或数据存储器,集成片上调试系统OCDS,支持JTAG在线调试;外设有3个16-bit定时器,1个16-bit看门狗,1个I2C接口,1个SPI接口,2个USART接口,1个RTC实时时钟,8通道DMA;支持STOP,IDLE电源管理模式。支持基于 MSS(Microcontroller Subsystem)的系统编程、系统多配置、系统在线更新、动态频率切换等特性。CME-M5内部结构框图见图5.

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图5:京微雅格CME-M5器件结构框图

在本设计中,增强型 8051实现以太网TCP/IP协议栈,实现对NandFlash / SD卡的访问,显示特效处理,并调度FPGA功能模块实现LED显示。FPGA则负责LED刷新,其功能包含:灰度控制、刷新率控制、亮度控制、伽马校正等。PC提供人机交互,让用户通过上位机软件编辑“节目”,即需要最终在LED屏上显示的内容,包含文本,图片,视频以及显示特效,例如百叶窗,流水等;最后上位机软件把“节目”转换成特定的数据文件通过以太网传送给CME-M5,由CME-M5把接收到的数据文件写入NandFlash/SD卡。系统框图如下:

图6:基于CME-M5解决方案框图

CME-M5 FPGA功能描述

1)伽马校正

根据LED的响应特性,需要对输入的8位灰度值进行伽马校正,使之映射到14~16位灰度值,这部分功能是FPGA通过查表方式的实现的。伽马校正的参数可以通过PC上位机进行修改。

2)灰度控制

下面以8bit/256级灰度作为例子,阐述LED灰度控制原理。对于RGB三基色LED显示,256级灰度意味着R、G、B各使用8bit来表示灰度值(2^8=256,即256级灰度)。每颗LED有独立的R、G、B三个信号供FPGA分别控制。

全彩LED驱动芯片通常分为自带PWM的恒流源以及不带PWM的恒流源。接下来以不带PWM的驱动芯片MBI5024为例介绍灰度控制原理。MBI5024的内部结构框图见图7. FPGA向SDI送入每个像素点R/G/B灰度值,OUT0~OUT15连接LED的R/G/B,OE_n控制对应每bit灰度值点亮LED时间的长短。 8bit/256级灰度控制,通常使用19场方式,假设子场的周期为T,那么一个刷新周期的总时间为19T.19场被分为8份,时间分别为 8T,4T,2T,1T,1T,1T,1T,1T;OE_n有效时间分别为8T,4T,2T,1T,1/2T,1/4T,1/8T,1/16T.

以下介绍如何对R进行灰度控制,G,B的灰度控制原理是类似的。8T对应8bit灰度值的最高位R[7],其刷新的时间长度为8T;4T对应8bit灰度值的次高位R[6],其刷新的时间长度为4T……1/16T对应最低位R[0],其刷新的时间长度为1/16T.如图8所示, R[7]在T0周期送出,R[6]在T1周期送出,R[5]在T2周期送出……R[0]在T7周期送出。

OUT0~OUT15分别连接第0颗~第15颗LED的R.使用Ri[j]表示第i颗LED的R灰度值的第j位,以下是操作流程:

1. SDI移入 {R0[7], R1[7], R2[7], R3[7], R4[7], R5[7], R6[7], R7[7], R8[7], R9[7], R10[7], R11[7], R12[7], R13[7], R14[7], R15[7]};R15[7]先移入,R0[7]最后移入;

2. 使能LE信号对R0[7]~R15[7]锁存,使能OE_n信号,保持时间为8T (即时序图中的T0周期);在此过程中,SDI移入R0[6]~R15[6]灰度数据;

3. 使能LE信号对R0[6]~R15[6]锁存,使能OE_n信号,保持时间为4T(即时序图中的T1周期);在此过程中,SDI移入并锁存R0[5]~R15[5]灰度数据;

4. 使能LE信号对R0[3]~R15[3]锁存,使能OE_n信号,保持时间为1/2T(即时序图中的T4周期),1/2T后把OE_n信号置为无效;在此过程中,SDI移入并锁存R0[2]~R15[2]灰度数据;

5. 使能LE信号对R0[0]~R15[0]锁存,使能OE_n信号,保持时间为1/16T(即时序图中的T7周期),之后把OE_n信号置为无效;至此,完成一个灰度值显示的刷新周期;

需要说明的是,以上仅以16颗 LED作为例子,实际应用中会级联多个MBI5024芯片,即上一级MBI5024芯片的SDO连接至下一级MBI5024的SDI,当有N个 MBI5024级联的,相当于一个N*16位的移位寄存器,最多可以连接N*16颗LED的R/G/B.操作流程与上面介绍的7个步骤类似。

图7:MBI5024器件原理框图

图8:8bit/256级灰度控制时序图

在一个灰度刷新周期内(19T),OE总有效时间为:8T + 4T + 2T + 1T + 1/2T + 1/4T + 1/8T + 1/16T = 15.9375T,亮度的利用率为:15.9375T/(19T)*100%=83.88%,也就是亮度损失为1 - 83.88% = 16.12%.

对于16bit/65536 级灰度,常用27子场方式:8T,4T,2T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T;OE_n有效时间为 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;亮度利用率为:15.999755859375 T/(27T)*100%=59.26 %,亮度损失为1 - 59.26 % = 40.74%.

使用不同数量的子场,亮度的利用率是不同的,例如:16bit/65536级灰度也可以采用42子场方式,即:16T,8T,4T,2T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T,T;OE_n有效时间为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,亮度利用率为:31.99951171875 T/(42T) *100%=59.26 % = 76.19%,亮度损失为1 - 76.19%= 23.81%.

3)刷新率

驱动芯片的数据时钟频率、 LED屏的扫描方式(静态~16扫)以及寻址数固定以后,子场的时间T也就随之定下来,以16bit/65536级灰度为例,如果采用27子场的方式,刷新率约为:F=1/( 27*T),最小OE_n脉宽为T /4096;如果采用42子场的方式,刷新率约为:F=1/( 42*T),最小OE_n脉宽为T /2048.考虑到其他时间开销,实际的刷新率F会比以上估算值略低。

可以看出在子场时间T一定的情况下,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最小脉宽比前者长(对于驱动芯片来说,OE_n的脉宽最小值是有限制的,当脉宽太窄时,驱动芯片将无法识别),所以,具体设计需根据实际情况做权衡。为了提高视觉刷新率(Visual Refresh Rate),可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期内;对动态扫描屏,还可以把实现灰度值的所有子场分割成多份,在刷新每一行时,只刷新一部分灰度,加快一行到下一行的切换速度,等所有行都刷新完一部分灰度之后,再接着刷新其他部分灰度,直到灰度值被完整刷新,从而提高视觉刷新率。通过优化的 PWM编码,不仅可以提高视觉刷新率,也能够提高LED亮度利用率。

CME-M5 8051功能描述

200MHz主频 8051 MCU是整个系统的主控,负责与PC的通信,实现TCP/IP协议栈,通过以太网接收来自于PC端的节目内容,并以文件方式写入SD卡进行节目更新,同时,8051也负责节目特效处理; 另外,8051采集温度传感器、湿度传感器信息,显示在LED屏幕上;采集环境光传感器,实现亮度自动调节;通过红外遥控实现节目切换。CME-M5已集成了RTC实时时钟,无需外扩芯片就能够方便地在全彩LED屏上显示年,月,日,时,分,秒,星期等信息;支持数字时钟及模拟时钟显示。

4 结语

通过采用FPGA SoC芯片,实现了针对门楣广告市场的异步全彩LED显示控制器的设计方案,由于门楣广告屏的分辨率一般都不高,CME-M5内嵌的200MHz增强型 8051完全可以胜任作为系统主控。方案支持80K像素点,16bit/65536级灰度,视觉刷新率最高支持6000Hz,支持静态~16扫屏体类型,支持文字、图片、动画及简单的视频播放,支持数字时钟以及模拟时钟显示,支持温度及湿度显示,亮度自动调节,红外遥控节目切换。

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关键词: LED 控制

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