基于ARM和FPGA的全彩獨(dú)立視頻LED系統(tǒng)

　　引 言

　　目前顯示屏按數(shù)據(jù)的傳輸方式主要有兩類：一類是采用與計(jì)算機(jī)顯示同一內(nèi)容的實(shí)時(shí)視頻屏；另一類為通過 USB、以太網(wǎng)等通信手段把顯示內(nèi)容發(fā)給顯示屏的獨(dú)立視頻源顯示屏，若采用無線通信方式，還可以隨時(shí)更新顯示內(nèi)容，靈活性高。此外，用一套嵌入式系統(tǒng)取代計(jì)算機(jī)來提供視頻源，既可以降低成本，又具有很高的可行性和靈活性，易于工程施工。因此，獨(dú)立視頻源LED顯示系統(tǒng)的需求越來越大。

　　本系統(tǒng)采用ARM+FPGA的架構(gòu)，充分利用了ARM的超強(qiáng)處理能力和豐富的接口，實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，因此不僅可以作為一般的LED顯示屏控制器，更可以將各顯示節(jié)點(diǎn)組成大型的戶外廣告?zhèn)髅骄W(wǎng)絡(luò)。而FPGA是一種非常靈活的可編程邏輯器件，可以像軟件一樣編程來配置，從而可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行靈活而方便的更改和開發(fā)，提高了系統(tǒng)效率。

　　1 獨(dú)立視頻LED系統(tǒng)

　　LED顯示屏的主要性能指標(biāo)有場(chǎng)掃描頻率、分辨率、灰度級(jí)和亮度等。分辨率指的是控制器能控制的 LED管的數(shù)量，灰度級(jí)是對(duì)顏色的分辨率，而亮度高則要求每個(gè)灰度級(jí)的顯示時(shí)間長(zhǎng)。顯然，這3個(gè)指標(biāo)都會(huì)使得場(chǎng)掃描頻率大幅度降低，因此需要在不同的場(chǎng)合對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩帷Ｍǔ；叶燃?jí)、亮度和場(chǎng)掃描頻率由單個(gè)控制器決定，而分辨率可以通過控制器陣列的方式得到很大的提高。這樣，每個(gè)控制器的灰度和亮度很好，場(chǎng)掃描頻率也適當(dāng)，再通過控制器陣列的形式，實(shí)現(xiàn)大的控制面積，即可實(shí)現(xiàn)顏色細(xì)膩的全彩色超大屏幕的LED顯示控制器。

　　獨(dú)立視頻LED系統(tǒng)完全脫離計(jì)算機(jī)的控制，本身可以實(shí)現(xiàn)通信、視頻播放、數(shù)據(jù)分發(fā)、掃描控制等功能。為了實(shí)現(xiàn)大屏幕、全彩色、高場(chǎng)頻，本系統(tǒng)采用控制器陣列模式，如圖1所示。

　　系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)接口（以太網(wǎng)接口）由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端更新本地的數(shù)據(jù)，視頻播放部分則通過對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過數(shù)據(jù)分發(fā)單元，將這些數(shù)據(jù)分別發(fā)送到不同的LED顯示控制器上，控制器將播放單元提供的數(shù)據(jù)顯示到全彩色大屏幕LED上。

　　2 通信接口和視頻播放單元

　　本系統(tǒng)的通信接口和視頻播放部分由ARM+uClinux實(shí)現(xiàn)。ARM（Advanced RISC Machine）是英國(guó)ARM公司設(shè)計(jì)開發(fā)的通用32位RISC微處理器體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗、高性能的微處理器。Linux作為一種穩(wěn)定高效的開放源碼式操作系統(tǒng)，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，而uClinux則是專門針對(duì)微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)，具有可裁減、內(nèi)核小、完善的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議和接口、優(yōu)秀的文件系統(tǒng)以及豐富的開源資源等優(yōu)點(diǎn)，正被越來越多的嵌入式系統(tǒng)采納。系統(tǒng)中使用Intel XScale系列的PXA255芯片，與ARM v5TE指令集兼容，沿用了ARM的內(nèi)存管理、中斷處理等機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上做了一些擴(kuò)展，如DMA控制器、LCD控制器等。由于ARM9的處理能力有限，目前只用其播放320×240像素的視頻。

　　系統(tǒng)視頻播放的數(shù)據(jù)來自于系統(tǒng)中的SD存儲(chǔ)卡（Secure Digital Memory Card）。更新SD卡的數(shù)據(jù)有兩種方式：一種是用計(jì)算機(jī)更新SD卡的數(shù)據(jù)；另一種是通過網(wǎng)絡(luò)接收服務(wù)器的數(shù)據(jù)，直接由ARM更新SD卡。此外，播放器也可以直接播放網(wǎng)絡(luò)傳送的MPEG-4格式數(shù)據(jù)。由于XScale未提供物理層接口，若想實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能需外接一片物理層芯片。本系統(tǒng)選用SMSC公司的高性能100M以太網(wǎng)控制器LAN9118。

　　3 視頻數(shù)據(jù)分發(fā)

　　由于控制器采用陣列模式，因此需要對(duì)視頻源提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)，將不同行列的數(shù)據(jù)正確地送入不同的控制器。

　　3.1 數(shù)據(jù)分發(fā)單元方案

　　本系統(tǒng)中的LED控制器灰度級(jí)高達(dá)3×12位（可顯示多達(dá)64G種顏色）、控制區(qū)域?yàn)?28×128點(diǎn)。系統(tǒng)播放單元提供的數(shù)據(jù)為320×240像素，因此需要分解成6個(gè)LED控制器來控制（見圖1）。因此，需要將PXA255提供的RGB數(shù)據(jù)分3組發(fā)送到這6塊控制器，以FPGA實(shí)現(xiàn)，方案如圖2所示。

　　LCD接口子模塊接收PXA255 LCD接口的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，將這些輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)校正之后存入SDRAM。然后將該場(chǎng)數(shù)據(jù)分成3組，每組128行（最后一組只有64行，為了后面控制板的一致性，此處由總線調(diào)度器補(bǔ)零），同時(shí)發(fā)送，之后由LED顯示控制器處理。