基于4G通信的車載真彩色LED信息屏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建軍

（廣州通達(dá)汽車電氣股份有限公司，廣東 廣州 510700）

0 引言

公交車作為城市重要交通工具，數(shù)量龐大，線路繁多，在公交車車尾安裝LED信息屏，作為信息發(fā)布的平臺(tái)，可以美化城市市容，做好城市亮化的形象工程。企業(yè)商家利用公交車平臺(tái)做廣告，憑借公交具有廣播、電視、報(bào)紙、雜志都不具備的流動(dòng)性，其良好的廣告?zhèn)鞑バЧ?，能讓企業(yè)及其產(chǎn)品在市場(chǎng)上長(zhǎng)期維持品牌形象，提升知名度。

基于4G通信的車載真彩色LED信息屏可以充分展現(xiàn)廣告絢麗多彩的視頻效果，同時(shí)可以通過巴士在線廣告發(fā)布平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)布廣告內(nèi)容，方便運(yùn)營(yíng)商靈活的更新廣告內(nèi)容，滿足市場(chǎng)靈活多變的廣告需求。內(nèi)置GPS定位模塊，實(shí)現(xiàn)廣告對(duì)特定區(qū)域的精準(zhǔn)投放，取得更好的廣告效果。

1 LED信息屏系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

LED信息屏系統(tǒng)包括信息發(fā)布管理平臺(tái)和車載LED信息屏。車載LED信息屏由LED顯示屏[1]和LED控制器組成，LED顯示屏由發(fā)光二極管陳列組成；LED控制器負(fù)責(zé)與信息發(fā)布管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收需要發(fā)布的信息內(nèi)容，同時(shí)按照特定要求將信息內(nèi)容在LED顯示屏上展示。

信息發(fā)布管理平臺(tái)包含訪問層、應(yīng)用層、中間層、基礎(chǔ)設(shè)施層。訪問層為用戶提供系統(tǒng)訪問接入，發(fā)布管理平臺(tái)主要以瀏覽器方式登錄后臺(tái)管理系統(tǒng)的WEB服務(wù)器。應(yīng)用層為用戶提供資源管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、GPS定位等服務(wù)。中間層提供身份驗(yàn)證、訪問控制以及報(bào)表、數(shù)據(jù)挖掘?；A(chǔ)設(shè)施層主要包含通信接口服務(wù)、協(xié)議解析服務(wù)、數(shù)據(jù)庫訪問和服務(wù)定制。

2 LED信息屏控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

LED信息屏控制器的硬件框圖如圖1所示，由電源模塊、CPU最小系統(tǒng)、4G通信模塊、FPGA模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成。CPU運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)Andriod6.0，應(yīng)用程序通過4G通新模塊和信息發(fā)布管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收信息發(fā)布管理平臺(tái)發(fā)布的廣告內(nèi)容，將廣告內(nèi)容存儲(chǔ)在eMMC存儲(chǔ)器中，按照客戶要求，在指定的時(shí)間和位置將廣告內(nèi)容解碼后，通過RGB數(shù)據(jù)流送到FPGA模塊，經(jīng)過FPGA模塊處理后送到驅(qū)動(dòng)模塊，最后在LED屏顯示。

圖1 LED信息屏控制器的硬件框圖

2.1.1 電源模塊

電源模塊采用二級(jí)電源轉(zhuǎn)換電路，第一級(jí)采用MP9457將24V電源轉(zhuǎn)換12V，第二級(jí)電源電路采用RK808、MP2235、TPS51100等多個(gè)電源芯片。電源模塊還增加共模電感濾波電路、車載TVS保護(hù)電路，可以通過車載EMC標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 CPU最小系統(tǒng)

主控CPU選取瑞芯微RK3368，八核64位A53架構(gòu)，主頻高達(dá)1.5GHz。CPU最小系統(tǒng)由RK3368、16GB大小eMMC、512MB大小DDR3、時(shí)鐘單元、RK808專用電源模塊等組成。

2.1.3 4G通信模塊

4G通信模塊采用龍尚U9300C，工作在LTE-TDD/LTE-FDD/TD-SCDMA/UMTS/EVDO/EDGE/GPRS/GSM/CDMA等多種制式，上下行速率可以達(dá)到50Mbps和150Mbps。

2.1.4 FPGA模塊

FPGA模塊由FPGA芯片和DDR2芯片組成。FGPA芯片采用Xilinx公司的XC6SLX9-2FTG256，具有9000多個(gè)邏輯單元、1152KbRAM。

對(duì)于企業(yè)來說，時(shí)間管理是財(cái)富之源。時(shí)間是一種獨(dú)特的稀缺資源，它沒有彈性，無法再生，更沒有替代品。對(duì)于企業(yè)的管理者來說，他們?cè)诿鎸?duì)亟待解決的問題時(shí)，需要在有限的時(shí)間里，以非凡的統(tǒng)籌能力來合理安排和利用時(shí)間，應(yīng)對(duì)企業(yè)面臨的各種挑戰(zhàn)和激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件主要由廣告更新模塊和廣告播放模塊組成。廣告更新模塊接收平臺(tái)下發(fā)的廣告和配置文件，廣告播放模塊按照特定的規(guī)則進(jìn)行廣告播放。

2.2.1 廣告更新模塊

平臺(tái)向控制器發(fā)送更新廣告指令，控制器使用HTTP協(xié)議或者FTP協(xié)議下載廣告媒體文件和配置文件，下載完畢后，使用MD5校驗(yàn)，并判斷廣告配置文件是否合法，如果廣告無異常，則更新廣告，并反饋平臺(tái)更新廣告成功?？刂破饔形募彺婀δ?，下載文件時(shí)，先比對(duì)本地是否存在，只有本地不存在的文件，才從平臺(tái)下載，可以節(jié)省流量和減少更新文件時(shí)間。

2.2.2 廣告播放模塊

控制器支持時(shí)段獨(dú)播、按次播放、時(shí)段輪播等多種播放規(guī)則，播放優(yōu)先級(jí)別為時(shí)段獨(dú)播、按次輪播、時(shí)段輪播。

時(shí)段獨(dú)播，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，單獨(dú)播放設(shè)定的廣告，一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，只能下發(fā)一條時(shí)段獨(dú)播廣告。后下發(fā)的廣告會(huì)覆蓋先下發(fā)的廣告。

按次輪播在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)設(shè)定的廣告次數(shù)，盡可能平均播放下發(fā)的廣告。一個(gè)時(shí)段可以下發(fā)多條按次輪播廣告，終端根據(jù)下發(fā)的廣告進(jìn)行輪播。在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，根據(jù)設(shè)定的廣告次數(shù)，盡可能平均播放下發(fā)的廣告。

控制器支持廣告播放記錄，每次播放完畢，會(huì)自動(dòng)將本次播放的素材ID、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、播放時(shí)長(zhǎng)保存到本地，定時(shí)上傳到后臺(tái)，平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 LED信息屏控制器的FPGA設(shè)計(jì)

3.1 真彩色LED顯示屏原理

LED顯示屏是由許多相同結(jié)構(gòu)的LED模組級(jí)聯(lián)而成，本文選用的模組是16行64列的模組，由16×64個(gè)LED點(diǎn)陣組成，每個(gè)點(diǎn)由R、G、B三基色組成，每種基色的灰度級(jí)等于10bit[2]，能顯示 10.7G 顏色。公交車上的384×128分辨率[3]顯示屏組成如圖2所示，總共由48個(gè)16×64個(gè)LED點(diǎn)陣的模組組成，總共分為8大行，每個(gè)大行是級(jí)聯(lián)的，級(jí)聯(lián)順序按圖中模組序號(hào)增長(zhǎng)順序。據(jù)模組結(jié)構(gòu)可知，LED顯示屏采用1/16動(dòng)態(tài)掃描，每2個(gè)大行由FPGA內(nèi)部的一個(gè)掃描模塊掃描，先掃描16行中第1行，接著掃描第2行，依次掃描到最后一行第16行，一個(gè)掃描周期完成。

圖2 384X128模組結(jié)構(gòu)

3.2 FPGA總體設(shè)計(jì)

FPGA總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由Gamma校正、數(shù)據(jù)接收、DDR2控制器、掃描控制等模塊組成。Gamma校正、數(shù)據(jù)接收、DDR2控制器寫入邏輯構(gòu)成數(shù)據(jù)輸入通道，將主控RK3368送來的RGB數(shù)據(jù)，按照行同步信號(hào)寫入FPGA內(nèi)部的FIFO緩沖區(qū)進(jìn)行緩存，然后按照LED模塊結(jié)構(gòu)分模塊寫入特定的DDR2存儲(chǔ)器位置。掃描控制邏輯和DDR2控制器讀出邏輯構(gòu)成數(shù)據(jù)輸出通道，按照掃描順序和位置從DDR2存儲(chǔ)器取出相應(yīng)數(shù)據(jù)送到外部驅(qū)動(dòng)模塊。DDR2顯示存儲(chǔ)器采用A、B雙顯存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)接收模塊對(duì)A區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入操作時(shí)，掃描控制模塊就讀B區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，反之也一樣，可以避免前后2幀數(shù)據(jù)部分重疊顯示在LED顯示屏上，影響顯示效果。

圖3 FPGA結(jié)構(gòu)圖

3.3 數(shù)據(jù)輸入通道設(shè)計(jì)

人眼對(duì)外界光源的感光值與輸入光強(qiáng)是呈非線性關(guān)系的，而是呈指數(shù)型關(guān)系的，需要將CPU送來的圖像進(jìn)行g(shù)amma校正。Gamma校正實(shí)際上一系列非線性運(yùn)算過程，F(xiàn)PGA不能直接按公式計(jì)算，一般采取查找表的方式，本文按照Gamma系數(shù)2.8生成一個(gè)校正表，將該表作為RAM的初始數(shù)據(jù)。

為提高DDR2的利用率，采用突發(fā)模式進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)寫如，每次寫入數(shù)據(jù)為256Byte。RGB輸入數(shù)據(jù)按照行、場(chǎng)同步實(shí)時(shí)刷新，第1行第一個(gè)數(shù)據(jù)寫的顯存地址0。數(shù)據(jù)接收通道將RGB數(shù)據(jù)順序?qū)懭雰?nèi)部的4KByte的fiforam緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)大于256Byte時(shí)，觸發(fā)一次DDR2存儲(chǔ)器的寫操作。

3.4 數(shù)據(jù)輸出通道設(shè)計(jì)

由圖2可知384X128模組總共只有8大行，每2行用一個(gè)掃描模塊去控制，總共4個(gè)模塊即可完成掃描控制，每個(gè)掃描模塊的DDR2中顯存地址不一樣，掃描控制邏輯都是一樣的。

10位分辨率數(shù)據(jù)采用“21場(chǎng)原理”[4]，即10位數(shù)據(jù)用21場(chǎng)顯示完，每位數(shù)據(jù)的權(quán)重用顯示時(shí)間長(zhǎng)短表示。其中D9位數(shù)據(jù)表示顯示8場(chǎng)，D8位數(shù)據(jù)表示顯示4場(chǎng)，依次遞減，D0位數(shù)據(jù)顯示1/64場(chǎng)。每個(gè)數(shù)據(jù)位代表權(quán)重值離散的出現(xiàn)在21場(chǎng)中，如D8位在第3、8、13、18場(chǎng)顯示，如D2位在第2場(chǎng)顯示，如D1位在第10場(chǎng)顯示，如D0位在第19場(chǎng)顯示，這樣可以使得顯示亮度均勻，減少閃爍感。

每一場(chǎng)開始前，先將第1行顯示數(shù)據(jù)從外部DDR2存儲(chǔ)器讀入到FPGA內(nèi)部的雙口RAM，按照當(dāng)前場(chǎng)序號(hào)進(jìn)行權(quán)重標(biāo)記后，寫入到雙口RAM，顏色輸出模塊讀取雙口RAM中的權(quán)重標(biāo)記輸出對(duì)應(yīng)的脈沖時(shí)間，控制顯示控制信號(hào)，完成當(dāng)前場(chǎng)第1行數(shù)據(jù)顯示。重復(fù)上述步驟，直到當(dāng)前場(chǎng)第16行刷新完畢，當(dāng)前場(chǎng)所有行刷新完畢，然后進(jìn)入下一場(chǎng)刷新。

4 結(jié)束語

該方案在廣州通達(dá)汽車電氣股份有限公司的320×64真彩色液晶屏上已經(jīng)批量使用，總共銷售上萬套，顯示效果清晰、不閃爍，完全達(dá)到彩色LED的顯示效果。