【導(dǎo)讀】本文分析了市場(chǎng)上常見(jiàn)的異步全彩LED顯示控制方案，提出了基于京微雅格SoC FPGA的針對(duì)門楣廣告應(yīng)用的優(yōu)化解決方案。在單主控的情況下實(shí)現(xiàn)了高灰度，高刷新的異步全彩LED。
LED顯示屏市場(chǎng)概況
全彩LED顯示被普遍應(yīng)用于戶外及室內(nèi)的大型廣告、舞臺(tái)背景等場(chǎng)合（大多是同步顯示），隨著價(jià)格的下降，全彩LED顯示已經(jīng)開(kāi)始被使用于門楣廣告（異步顯示）。當(dāng)前門楣廣告一般采用單雙色LED顯示，市場(chǎng)需求大。與單雙L E D相比，全彩LED能夠展現(xiàn)更豐富的內(nèi)容，如真彩圖片、動(dòng)畫、視頻等，全彩LED顯示將是門楣廣告屏的發(fā)展趨勢(shì)。
市場(chǎng)流行方案的介紹
目前市場(chǎng)上比較流行的方案有以下幾種：
①ARM-Cortex-A8+FPGA解決方案
該方案的特點(diǎn)：功能齊全，其中ARM Cortex-A8可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主流視頻格式的解碼，但是方案成本偏高，對(duì)于門楣廣告這種小屏顯示的使用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)有些浪費(fèi)。方案框圖如圖1所示。
圖1：ARM-Cortex-A8+FPGA方案框圖
②ARM Cortex-M4解決方案
該方案的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于沒(méi)有使用FPGA ，ARMCortex-M4的實(shí)時(shí)性及速度無(wú)法滿足全彩LED顯示的控制要求，所以只能實(shí)現(xiàn)“七彩”顯示，而不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的全彩顯示。方案框圖如圖2所示。
圖2：ARM Cortex-M4方案框圖
③FPGA解決方案
該方案是同步全彩控制系統(tǒng)的一個(gè)衍生產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的錄制，功能相對(duì)單一。方案框圖如圖3所示。
圖3：?jiǎn)蜦PGA方案框圖
京微雅格SoC FPGA方案
京微雅格CME-M5系列FPGA集成了增強(qiáng)型8051MCU，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令集，12倍于標(biāo)準(zhǔn)8051的MIPS，頻率最高可達(dá)200MHz，支持高達(dá)8MB數(shù)據(jù)及代碼空間擴(kuò)展，支持硬件32/16-bit MDU（Multiplication Division Unit），128KB SPRAM，可作為8051的代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，集成片上調(diào)試系統(tǒng)OCDS，支持JTAG在線調(diào)試；外設(shè)有3個(gè)16bit定時(shí)器，1個(gè)16bit看門狗，1個(gè)I2C接口，1個(gè)SPI接口，2個(gè)USART接口，1個(gè)RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，8通道DMA；支持STOP，IDLE電源管理模式。支持基于MSS（Microcontroller Subsystem）的系統(tǒng)編程、系統(tǒng)多配置、系統(tǒng)在線更新、動(dòng)態(tài)頻率切換等特性。CME-M5內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。
圖4 ：京微雅格CME-M5器件結(jié)構(gòu)框圖
在本設(shè)計(jì)中， 增強(qiáng)型8051 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)對(duì)NandFlash/SD卡的訪問(wèn)，顯示特效處理，并調(diào)度FPGA功能模塊實(shí)現(xiàn)LED顯示。FPGA則負(fù)責(zé)LED刷新控制，其功能包含：灰度控制、刷新率控制、亮度控制、伽馬校正等。PC提供人機(jī)交互，讓用戶通過(guò)上位機(jī)軟件編輯“節(jié)目”，即需要最終在LED屏上顯示的內(nèi)容，包含文本、圖片、視頻以及顯示特效，例如百葉窗、流水等；最后上位機(jī)軟件把“節(jié)目”轉(zhuǎn)換成特定的數(shù)據(jù)文件通過(guò)以太網(wǎng)傳送給CME-M5，由CME-M5把接收到的數(shù)據(jù)文件寫入NandFlash/SD卡。系統(tǒng)框圖如圖5所示。
圖5：基于CME-M5解決方案框圖
CME-M5 FPGA功能描述
伽馬校正
根據(jù)LED的響應(yīng)特性，需要對(duì)輸入的8位灰度值進(jìn)行伽馬校正，使之映射到14～16位灰度值，這部分功能是FPGA通過(guò)查表方式的實(shí)現(xiàn)的。伽馬校正的參數(shù)可以通過(guò)PC上位機(jī)進(jìn)行修改。
灰度控制
下面以8位/256 級(jí)灰度作為例子，闡述LED灰度控制原理。對(duì)于RGB三基色LED顯示，256級(jí)灰度意味著R、G、B各使用8位來(lái)表示灰度值(2^8=256，即256級(jí)灰度)。每顆LED有獨(dú)立的R、G、B三個(gè)信號(hào)供FPGA分別控制。全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片通常分為自帶PWM的恒流源以及不帶PWM的恒流源。接下來(lái)以不帶PWM的驅(qū)動(dòng)芯片MBI5024為例介紹灰度控制原理。MBI5024的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖6。
圖6：MBI5024器件原理框圖
FPGA向SDI送入每個(gè)像素點(diǎn)R/G/B灰度值，OUT0～OUT15連接LED的R/G/B，OEn控制對(duì)應(yīng)每位灰度值點(diǎn)亮LED時(shí)間的長(zhǎng)短。8位/256級(jí)灰度控制，通常使用19場(chǎng)方式，假設(shè)子場(chǎng)的周期為T，那么一個(gè)刷新周期的總時(shí)間為19T。19場(chǎng)被分為8份，時(shí)間分別為8T，4T，2T，1T，1T，1T，1T，1T；OEn有效時(shí)間分別為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T。
以下介紹如何對(duì)R 進(jìn)行灰度控制，G，B的灰度控制原理是類似的。8T對(duì)應(yīng)8位灰度值的最高位R[7]，其刷新的時(shí)間長(zhǎng)度為8T；4T對(duì)應(yīng)8位灰度值的次高位R[6]，刷新的時(shí)間長(zhǎng)度為4T…1/16T對(duì)應(yīng)最低位R[0]，刷新的時(shí)間長(zhǎng)度為1/16T。如圖7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分別連接第0顆至第15顆LED的R。使用Ri[j]表示第i顆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信號(hào)對(duì)R0[7]～R15[7]鎖存，使能OEn信號(hào)，保持時(shí)間為8T（即時(shí)序圖中的T0周期）；在此過(guò)程中，SDI移入R0[6]～R15[6]灰度數(shù)據(jù)；
3. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[6]～R15[6]鎖存，使能OEn信號(hào)，保持時(shí)間為4T（即時(shí)序圖中的T1周期）；在此過(guò)程中，SDI移入并鎖存R0[5]～R15[5]灰度數(shù)據(jù)；
4. ……
5. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[3]～R15[3]鎖存，使能OEn信號(hào)，保持時(shí)間為1/2T （ 即時(shí)序圖中的T4 周期） ，1/2T后把OE_n信號(hào)置為無(wú)效；在此過(guò)程中，SDI移入并鎖存R0[2]～R15[2]灰度數(shù)據(jù)；
6. ……
7. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[0]～R15[0]鎖存，使能OEn信號(hào)，保持時(shí)間為1/16T（即時(shí)序圖中的T7周期），之后把OEn信號(hào)置為無(wú)效；至此，完成一個(gè)灰度值顯示的刷新周期。
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需要說(shuō)明的是，以上僅以16顆LED作為例子，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)級(jí)聯(lián)多個(gè)MBI5024芯片，即上一級(jí)MBI5024芯片的SDO連接至下一級(jí)MBI5024的SDI，當(dāng)有N個(gè)MBI5024級(jí)聯(lián)的，相當(dāng)于一個(gè)N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上面介紹的7個(gè)步驟類似。
在一個(gè)灰度刷新周期內(nèi)（19T），OE總有效時(shí)間為：8T+4T+2T+1T+1/2T+1/4T+1/8T+1/16T=15.9375T，亮度的利用率為：15.9375T/(19T)*100%=83.88%，也就是亮度損失為1-83.88%=16.12%。
圖7：8位/256級(jí)灰度控制時(shí)序圖
對(duì)于16位/65536級(jí)灰度，常用27 子場(chǎng)方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n 有效時(shí)間為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/1 6T，1/32T，1/6 4T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T，1/4096T；亮度利用率為：15.999755859375T/(27T)*100%=59.26%，亮度損失為1- 59.26%=40.74%。
使用不同數(shù)量的子場(chǎng)，亮度的利用率是不同的，例如：16位/65536級(jí)灰度也可以采用42子場(chǎng)方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OEn有效時(shí)間為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，亮度利用率為：31.99951171875T/(42T)*100%=59.26%=76.19%，亮度損失為1-76.19%= 23.81%。
刷新率驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率、LED屏的掃描方式（靜態(tài)～16掃）以及尋址數(shù)固定以后，子場(chǎng)的時(shí)間T也就隨之定下來(lái)，以16位/65536級(jí)灰度為例，如果采用27子場(chǎng)的方式，刷新率約為：F=1/(27*T)，最小OE_n脈寬為T/4096；如果采用42子場(chǎng)的方式，刷新率約為：F=1/(42*T)，最小OE_n脈寬為T/2048。考慮到其他時(shí)間開(kāi)銷，實(shí)際的刷新率F會(huì)比以上估算值略低。
可以看出在子場(chǎng)時(shí)間T一定的情況下，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最小脈寬比前者長(zhǎng)（對(duì)于驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)說(shuō)，OE_n的脈寬最小值是有限制的，當(dāng)脈寬太窄時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片將無(wú)法識(shí)別），所以，具體設(shè)計(jì)需根據(jù)實(shí)際情況做權(quán)衡。為了提高視覺(jué)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內(nèi)；對(duì)動(dòng)態(tài)掃描屏，還可以把實(shí)現(xiàn)灰度值的所有子場(chǎng)分割成多份，在刷新每一行時(shí)，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切換速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接著刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，從而提高視覺(jué)刷新率。通過(guò)優(yōu)化的PWM編碼，不僅可以提高視覺(jué)刷新率，也能夠提高LED亮度利用率。
CME-M5 8051功能描述
200MHz主頻8051MCU是整個(gè)系統(tǒng)的主控，負(fù)責(zé)與PC的通信，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)以太網(wǎng)接收來(lái)自于PC端的節(jié)目?jī)?nèi)容，并以文件方式寫入SD卡進(jìn)行節(jié)目更新，同時(shí)，8051也負(fù)責(zé)節(jié)目特效處理。
另外，8051采集溫度傳感器、濕度傳感器信息，顯示在LED屏幕上；采集環(huán)境光傳感器，實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)紅外遙控實(shí)現(xiàn)節(jié)目切換。CME-M5已集成了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，無(wú)須外擴(kuò)芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時(shí)，分，秒，星期等信息；支持?jǐn)?shù)字時(shí)鐘及模擬時(shí)鐘顯示。
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