基于網(wǎng)口傳輸?shù)腖ED同步屏控制系統(tǒng)及其FPGA實(shí)現(xiàn)

劉麗莎，朱 樺，韓秀清

（1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 深圳 518055；2.深圳市流明電子有限公司 廣東 深圳 518052）

LED全彩同步控制系統(tǒng)具有高性能實(shí)時(shí)顯示、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體。本設(shè)計(jì)改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中采集顯卡VESA信號接口、使用并行多根總線傳送數(shù)據(jù)的方式，改用采集DVI接口、通過網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)，既節(jié)省成本也提高了傳輸效率和傳輸質(zhì)量。另外，該設(shè)計(jì)還采用一系列新技術(shù)，例如使用高集成度FPGA作為主控制模塊、使用大容量SDRAM代替高成本的等容量SRAM、采用信號包復(fù)用技術(shù)同步傳送顯示數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)、采用高效率的灰度切片算法等等。LED同步屏控制系統(tǒng)具有成本低、顯示面積大、顯示穩(wěn)定、刷新率高等特點(diǎn)，是目前市面上非常具有競爭力的顯示控制方案。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，主要由兩部分組成：采樣發(fā)送板（STR）和現(xiàn)場控制板（FRC）。通過大規(guī)模邏輯及其他組件，實(shí)時(shí)同步采集計(jì)算機(jī)輸出的顯示數(shù)據(jù)，通過高速緩存、格式轉(zhuǎn)換后，由大容量傳輸通道傳送到LED顯示屏現(xiàn)場，最終轉(zhuǎn)換成LED掃描控制信號，在LED顯示屏上實(shí)現(xiàn)高清晰的視頻、圖片、文本等節(jié)目內(nèi)容的顯示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 顯示信號采集

本設(shè)計(jì)從電腦的DVI接口采集高清晰顯示數(shù)據(jù)信號。DVI主要基于轉(zhuǎn)換最小差分信號TMDS（Transition Minimized Differential Signaling）技術(shù)來傳輸數(shù)字信號。TMDS運(yùn)用編碼算法把 8 tit（24位色RGB數(shù)據(jù)，每色各 8 bit）通過最小轉(zhuǎn)換編碼轉(zhuǎn)換為10 bit數(shù)據(jù)（包含行場同步信息、時(shí)鐘信息、數(shù)據(jù)DE、糾錯等），并在DC平衡后，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)。它比LVDS、TTL具有更好的電磁兼容性能，可用低成本專用電纜實(shí)現(xiàn)長距離、高質(zhì)量數(shù)字信號傳輸。本系統(tǒng)采用專用TFP401A芯片，將計(jì)算機(jī)顯示卡DVI接口輸出的TMDS信號轉(zhuǎn)換成TTL電平的RGB三色分離的數(shù)據(jù)信號[1-2]。

1.2 顯示數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

DVI接口高速輸入的顯示信號是串行含灰度的數(shù)據(jù)，以24位色數(shù)據(jù)為例，每個(gè)顏色的權(quán)值數(shù)據(jù)為8位，即灰度等級為256級（28）[3]。LED顯示屏上的灰度實(shí)現(xiàn)，是通過控制每一個(gè)LED的點(diǎn)亮?xí)r間即占空比來實(shí)現(xiàn)的，為了更高效的實(shí)現(xiàn)不同的灰度，該設(shè)計(jì)采用全屏幕每個(gè)權(quán)值獨(dú)立顯示的方式，即控制整個(gè)屏幕分別顯示1～8個(gè)權(quán)值的亮度。

整個(gè)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過程由采集發(fā)送板和現(xiàn)場控制板上的2片F(xiàn)PGA以及數(shù)據(jù)緩存的SDRAM來實(shí)現(xiàn)。通過權(quán)值分離-緩存-分區(qū)提取-數(shù)據(jù)重整等一系列過程，最終得到LED顯示屏的掃描數(shù)據(jù)。

1.3 顯示數(shù)據(jù)傳送

DVI接口送過來的同步視頻信號數(shù)據(jù)量巨大。為了將大面積、高分辨率、高灰度的視頻顯示數(shù)據(jù)可靠的從電腦輸出到顯示屏體，需要采用可靠的傳輸媒介。另一方面，從計(jì)算機(jī)到LED顯示屏距離一般為幾十米到上百米。能傳輸?shù)木嚯x越長，從控制機(jī)房到顯示屏的距離限制越小，工程施工越靈活。

設(shè)計(jì)中的接口芯片采用RTL8208B實(shí)現(xiàn)。RTL8208B是Realtek公司生產(chǎn)的一款8口10 M/100 M以太網(wǎng)收發(fā)芯片。本設(shè)計(jì)中，采集發(fā)送板STR只需使用發(fā)送通道，現(xiàn)場控制板FRC同樣只需要接收通道。每根以太網(wǎng)網(wǎng)線含4對雙絞線，在百兆以太網(wǎng)中只使用到其中的2對，本設(shè)計(jì)中利用千兆以太網(wǎng)技術(shù)，使用全部4對雙絞線來作為傳送通道，這樣每根網(wǎng)線可傳輸400 Mb/s的數(shù)據(jù)量，2根網(wǎng)線（8路通道）可傳輸800 Mb/s的數(shù)據(jù)量。表1為網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)量分析情況。其中，數(shù)據(jù)量=分辨率×場頻×256級灰度數(shù)據(jù)寬度。

表1 網(wǎng)口傳輸數(shù)據(jù)量分析

從表1可以得到，單根網(wǎng)線可傳輸1 024×512全彩或者1 024×768雙色場頻30 Hz的數(shù)據(jù)；兩根網(wǎng)線傳輸1 024×512全彩或1 024×768雙色場頻60 Hz的數(shù)據(jù)。

1.4 LED顯示屏灰度掃描實(shí)現(xiàn)

LED顯示屏由多個(gè)顯示模組組合而成，顯示接口一般由以下幾個(gè)信號組成：串行數(shù)據(jù)信號：多組紅、綠、藍(lán)信號；串行時(shí)鐘信號：CLK；串行鎖存信號：LATCH；輸出使能信號：OE；行編碼信號（靜態(tài)模組時(shí)無行信號）：一般最多16行掃描，行掃描信號在顯示屏模組上由譯碼器（74HC138等）譯碼得到。

LED顯示屏為實(shí)現(xiàn)大面積顯示，屏幕面積一般非常巨大，而顯示屏的控制數(shù)據(jù)一般都是串行傳送，控制線都非常長且容易收到干擾，在大面積情況下可以保證穩(wěn)定傳輸?shù)男盘栴l率有限。如果增加系統(tǒng)的控制面積，一般方法有：1）提高顯示屏控制信號的時(shí)鐘頻率。但這種提高是有限的[4]；2）降低刷新頻率。刷新頻率降低必將影響顯示穩(wěn)定度，效果很差；3）多個(gè)控制器同時(shí)處理。增加掃描控制器必然增加成本。

本設(shè)計(jì)采用灰度切片的方式來實(shí)現(xiàn)高灰度、大面積、高刷新頻率顯示：按256級灰度（8位）計(jì)算，8位權(quán)值數(shù)據(jù)由高到低依次為 D7（128 權(quán)值），D6（64 權(quán)值）……D0（1 權(quán)值）。 設(shè)置合適的輸出顯示屏的串行時(shí)鐘，提高并行輸出的RGB數(shù)據(jù)信號組，即可提高顯示屏面積并滿足實(shí)際高清顯示效果。本設(shè)計(jì)中，實(shí)際控制面積為1 024×768像素點(diǎn)。實(shí)際測試可以發(fā)現(xiàn)，采用灰度切片方式后，顯示屏亮度損失極小，可以實(shí)現(xiàn)非常穩(wěn)定的視頻顯示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采樣發(fā)送板功能分解

圖2為采樣發(fā)送板STR總體架構(gòu)圖和FPGA功能模塊圖。

2.1.1 DVI接口

TFP401A轉(zhuǎn)換后向FPGA輸入以下信號為QE/QO為每組信號送出紅綠藍(lán)各8 bit數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用TFP401A單鏈路TMDS方式；ODCK為數(shù)據(jù)時(shí)鐘；DE為數(shù)據(jù)使能；VSYNC/HSYNC為場同步信號/行同步信號。

2.1.2 STR核心控制FPGA設(shè)計(jì)

采集發(fā)送板的核心為高速邏輯器件FPGA，F(xiàn)PGA各功能框圖如圖2所示。FPGA通過實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并利用SDRAM緩存實(shí)現(xiàn)采樣、緩存、格式轉(zhuǎn)換等一系列高速同步數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，F(xiàn)PGA通過采樣發(fā)送板上的CPU接收計(jì)算機(jī)的控制指令來適應(yīng)不同的顯示屏和不同的應(yīng)用環(huán)境。

FPGA各功能模塊說明如下：

1）采集模塊 ①伽馬校正：對于不同的節(jié)目源、不同的顯示屏體，需要經(jīng)過不同數(shù)值的伽馬校正來獲得更符合人眼視覺的顯示效果，得到更清晰的圖像。本設(shè)計(jì)提供伽馬校正接口，通過采樣發(fā)送板上的MCU，可根據(jù)最終顯示效果設(shè)置不同的伽馬校正值。在采集數(shù)據(jù)輸入后，即轉(zhuǎn)換成經(jīng)過校正的顯示數(shù)據(jù)。②權(quán)值分離和數(shù)據(jù)重組：對輸入串行數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)值分離處理，并根據(jù)CPU設(shè)置的顯示屏掃描模式進(jìn)行初步數(shù)據(jù)重組。

2）SDRAM控制和仲裁器 系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理每一幀顯示數(shù)據(jù)，通過大容量的外部存儲器作為緩存器，同步處理輸入幀接收和輸出幀提取。

在以往的設(shè)計(jì)中，一般采用2片SRAM（靜態(tài)存儲器）將2幀信號獨(dú)立存儲，大容量的SRAM成本高昂。本設(shè)計(jì)中，采用單片SDRAM設(shè)計(jì)[5]。相同容量的SDRAM比SRAM價(jià)格低得多，而采用單片SDRAM，整個(gè)系統(tǒng)的成本將進(jìn)一步下降；同時(shí)與FPGA接口減少，對FPGA的I/O口需求減少，優(yōu)化器件選擇。

兩幀顯示信號分時(shí)讀寫，當(dāng)前正在緩存的幀數(shù)據(jù)和當(dāng)前正在讀取的上一幀數(shù)據(jù)在SDRAM里用不同的頁面來分別進(jìn)行存儲。由于單片SDRAM控制和數(shù)據(jù)總線只有一組，所以需要SDRAM控制仲裁器模塊來實(shí)現(xiàn)無縫分時(shí)總線切換控制。

采集模塊和輸出模塊分別將數(shù)據(jù)流切片，轉(zhuǎn)成小數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)流切片后，各模塊每次占用總線的時(shí)間減短。經(jīng)過精確計(jì)算每個(gè)模塊占用總線的時(shí)間、2次占用總線要求的最長間隔，設(shè)計(jì)合適大小的數(shù)據(jù)流切片大??；2個(gè)模塊即可實(shí)現(xiàn)無縫分時(shí)占用SDRAM總線。

圖2 采樣發(fā)送板STR總體架構(gòu)圖和FPGA功能模塊圖

3）網(wǎng)口編碼輸出 輸出控制模塊按照顯示屏的掃描模式分區(qū)采集緩沖SDRAM中的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換重整成新的網(wǎng)口串行傳輸格式。除了顯示數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)口傳輸外，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置現(xiàn)場控制板，還需要將控制參數(shù)通過網(wǎng)口傳輸。網(wǎng)口編碼前將顯示數(shù)據(jù)包和控制信號包，經(jīng)過分時(shí)復(fù)用，經(jīng)網(wǎng)口編碼器編碼后送至RTL8208B傳送。

4）幀同步控制 數(shù)據(jù)在采樣發(fā)送板需要同步處理兩幀信號，為了穩(wěn)定地將輸出網(wǎng)口的幀信號與輸入的DVI幀信號同步，幀同步模塊通過同步指令，將兩個(gè)時(shí)鐘域的幀信號鎖定在一起，以實(shí)現(xiàn)幀信號同步控制，避免出現(xiàn)顯示畫面斷裂的情況。

2.2 現(xiàn)場控制板功能分解

圖3為現(xiàn)場控制板FRC總體架構(gòu)圖和FPGA功能模塊框圖。

2.2.1 FRC核心控制FPGA設(shè)計(jì)

現(xiàn)場掃描板的核心控制部分也為1片F(xiàn)PGA，F(xiàn)PGA通過實(shí)時(shí)接收網(wǎng)口數(shù)據(jù)并利用SDRAM緩存后，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，由輸出模塊實(shí)現(xiàn)灰度顯示，產(chǎn)生顯示屏的控制信號。各功能模塊說明如下：

1）網(wǎng)口解碼器和數(shù)據(jù)對齊、重整 現(xiàn)場掃描板的RTL8208B接收到網(wǎng)口送來的數(shù)據(jù)信號后送到FPGA的網(wǎng)口解碼器模塊。該模塊由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)：當(dāng)依次檢測到DV信號、H信號、SSD信號后，解碼器開始定位并提取幀頭信號，根據(jù)幀頭碼中的數(shù)據(jù)類型判斷是控制幀還是數(shù)據(jù)幀，并分別進(jìn)行提取。

2）SDRAM控制和仲裁器 同采集發(fā)送板類似，現(xiàn)場控制板的FPGA也需要需要實(shí)時(shí)處理每一幀顯示數(shù)據(jù)，通過大容量的外部存儲器SDRAM作為緩存器，同步處理輸入幀接收和輸出幀提取。SDRAM控制仲裁器模塊實(shí)現(xiàn)無縫分時(shí)控制。

3）灰度實(shí)現(xiàn)和掃描轉(zhuǎn)換 本模塊按照1.1節(jié)的描述，提取SDRAM中的各灰度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成顯示屏的控制信號數(shù)據(jù)。根據(jù)采集發(fā)送板送來的控制幀中的掃描參數(shù)，調(diào)整掃描輸出的數(shù)據(jù)順序和控制信號格式，以方便實(shí)現(xiàn)對不同類型的LED顯示屏模塊組的靈活控制。LED灰度掃描輸出掃描仿真信號如圖4所示。

圖4為輸出原始信號圖，輸出信號再經(jīng)過增加消影（行切換前關(guān)斷屏體，防止出現(xiàn)串行的暗影信號叫消影）、行調(diào)整、多顯示區(qū)穿插（控制更大面積）等處理后，經(jīng)鎖存驅(qū)動后送到與顯示屏接口匹配的接口板，控制整個(gè)LED顯示屏屏體的顯示。

2.2.2 輸出驅(qū)動

輸出驅(qū)動將FPGA輸出的掃描信號鎖存驅(qū)動后送到輸出接口，外部再通過轉(zhuǎn)接板驅(qū)動后送至LED顯示屏。

3 結(jié)論

圖3 現(xiàn)場控制板FRC總體架構(gòu)圖和FPGA功能模塊框圖

圖4 LED灰度掃描輸出信號仿真圖

大規(guī)模邏輯具有處理速度快、容量大等特點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷更新，向著更高容量、更低單位成本的方向快速發(fā)展。在通信等實(shí)時(shí)系統(tǒng)等領(lǐng)域，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中充分利用FPGA的特點(diǎn)，使用FPGA作為核心控制模塊，集成網(wǎng)絡(luò)控制、大容量存儲芯片控制、通信接口、外圍器件接口、信號采集接口等多個(gè)控制功能，能夠簡化系統(tǒng)架構(gòu)、降低整個(gè)控制系統(tǒng)以及外圍成本；而精簡的系統(tǒng)架構(gòu)，避免多個(gè)控制器件匹配而造成的系統(tǒng)失效率高、易相互干擾等缺陷。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，充分考慮了技術(shù)的成熟性和整個(gè)系統(tǒng)工程的造價(jià)，本設(shè)計(jì)利用成熟的百兆網(wǎng)口芯片，靈活融入千兆網(wǎng)技術(shù)，令工程成本大為降低、而系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提高。本控制系統(tǒng)在實(shí)際測試和應(yīng)用中，無論是戶內(nèi)還是戶外顯示屏，顯示穩(wěn)定性和刷新頻率等參數(shù)均非常優(yōu)秀，而且通過技術(shù)手段，大大增加了單系統(tǒng)控制的面積，降低了成本。通過與之配套開發(fā)的軟件同時(shí)使用，具有非常強(qiáng)的市場競爭力。

[1]Digital Display Working Group.DVI specification：Revision1.0[Z].1999.

[2]康志英，冉 峰，許美華.LED顯示屏高灰度掃描控制的FPGA 實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（07-2）：198-199.

[3]王 飛，靳 桅，鄔芝權(quán).LED大屏幕輸出電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2008，23（1）：102-105.

[4]張公禮，任健錢.LED顯示屏256級灰度控制芯片的FPGA設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2008，32（8）：36-37.

[5]Realtek Semiconductor Corp.RTL8208B single-chip octal 10/100Mbps fast Ethernet transceiver datasheet[EB/OL].2004.http：//realtek.info/pdf/RTL8208B（F）_1-3.pdf