基于ARM和FPGA的全彩獨立視頻LED系統 - 全文

　　引 言

　　目前顯示屏按數據的傳輸方式主要有兩類：一類是采用與計算機顯示同一內容的實時視頻屏；另一類為通過 USB、以太網等通信手段把顯示內容發(fā)給顯示屏的獨立視頻源顯示屏，若采用無線通信方式，還可以隨時更新顯示內容，靈活性高。此外，用一套嵌入式系統取代計算機來提供視頻源，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，獨立視頻源LED顯示系統的需求越來越大。

　　本系統采用ARM+FPGA的架構，充分利用了ARM的超強處理能力和豐富的接口，實現真正的網絡遠程操作，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)點組成大型的戶外廣告?zhèn)髅骄W絡。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，從而可以實時地進行靈活而方便的更改和開發(fā)，提高了系統效率。

　　1 獨立視頻LED系統

　　LED顯示屏的主要性能指標有場掃描頻率、分辨率、灰度級和亮度等。分辨率指的是控制器能控制的 LED管的數量，灰度級是對顏色的分辨率，而亮度高則要求每個灰度級的顯示時間長。顯然，這3個指標都會使得場掃描頻率大幅度降低，因此需要在不同的場合對這些指標進行適當的取舍。通?；叶燃墶⒘炼群蛨鰭呙桀l率由單個控制器決定，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，每個控制器的灰度和亮度很好，場掃描頻率也適當，再通過控制器陣列的形式，實現大的控制面積，即可實現顏色細膩的全彩色超大屏幕的LED顯示控制器。

　　獨立視頻LED系統完全脫離計算機的控制，本身可以實現通信、視頻播放、數據分發(fā)、掃描控制等功能。為了實現大屏幕、全彩色、高場頻，本系統采用控制器陣列模式，如圖1所示。

　　系統可以通過網絡接口（以太網接口）由網絡服務器端更新本地的數據，視頻播放部分則通過對該數據進行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過數據分發(fā)單元，將這些數據分別發(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據顯示到全彩色大屏幕LED上。

　　2 通信接口和視頻播放單元

　　本系統的通信接口和視頻播放部分由ARM+uClinux實現。ARM（Advanced RISC Machine）是英國ARM公司設計開發(fā)的通用32位RISC微處理器體系結構，設計目標是實現微型化、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，在各個領域都得到了廣泛的應用，而uClinux則是專門針對微控制領域而設計的Linux系統，具有可裁減、內核小、完善的網絡接口協議和接口、優(yōu)秀的文件系統以及豐富的開源資源等優(yōu)點，正被越來越多的嵌入式系統采納。系統中使用Intel XScale系列的PXA255芯片，與ARM v5TE指令集兼容，沿用了ARM的內存管理、中斷處理等機制，并在此基礎上做了一些擴展，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。

　　系統視頻播放的數據來自于系統中的SD存儲卡（Secure Digital Memory Card）。更新SD卡的數據有兩種方式：一種是用計算機更新SD卡的數據；另一種是通過網絡接收服務器的數據，直接由ARM更新SD卡。此外，播放器也可以直接播放網絡傳送的MPEG-4格式數據。由于XScale未提供物理層接口，若想實現網絡功能需外接一片物理層芯片。本系統選用SMSC公司的高性能100M以太網控制器LAN9118。

　　3 視頻數據分發(fā)

　　由于控制器采用陣列模式，因此需要對視頻源提供的數據進行分發(fā)，將不同行列的數據正確地送入不同的控制器。

　　3.1 數據分發(fā)單元方案

　　本系統中的LED控制器灰度級高達3×12位（可顯示多達64G種顏色）、控制區(qū)域為128×128點。系統播放單元提供的數據為320×240像素，因此需要分解成6個LED控制器來控制（見圖1）。因此，需要將PXA255提供的RGB數據分3組發(fā)送到這6塊控制器，以FPGA實現，方案如圖2所示。

　　LCD接口子模塊接收PXA255 LCD接口的數據和控制信號，將這些輸入的數據進行逐點校正之后存入SDRAM。然后將該場數據分成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，此處由總線調度器補零），同時發(fā)送，之后由LED顯示控制器處理。

　　3.2 存儲器分配和總線調度

　　為了方便各模塊間的接口，有利于不同時鐘域的數據同步，系統的存儲器采用兩級存儲模式，即SDRAM 作為主存儲器，而各模塊也有相應FIFO作為Cache。SDRAM具有容量大、帶寬高、價格便宜等優(yōu)點；但是控制比較復雜，每次讀寫有多個控制和等待周期。因此為了提高效率，通常采用地址遞增的猝發(fā)讀寫方式，而不能像SRAM那樣隨時讀取任意地址的數據。

　　本方案采用完全動態(tài)的內存分配機制，即每個模塊請求時，如果不是同一場數據，則可以分配到一塊新的內存，而一旦該內存的數據不再有效，則釋放這塊內存。這樣，每塊內存都有自己的屬性，標志是使用中的內存，還是空閑內存，以及當前內存中的數據是否在等待被使用的隊列中，因此內存需要分成3塊。其中一塊存儲逐點校正參數，一塊存儲當前場數據，另一塊存儲上一場數據（即正在發(fā)送的數據）。這就要求在一個場同步周期內需要將數據發(fā)送完畢，而這一要求是完全可以達到的。

　　總線調度是本模塊的核心部分，必須精確計算總線帶寬的占用情況，確定各部分FIFO的深度，以保證各個FIFO不會出現溢出或讀空的現象。

　　總線調度器需要調度3塊存儲器，還需要為每一個模塊維護一個偏移地址的首地址，以及一個偏移地址計數寄存器。為了便于計算偏移地址，用SDRAM物理上的兩行存儲一行的數據，而將多余部分空余。

　　總線調度器的仲裁算法為：逐點校正參數與校正后數據寫入SDRAM的優(yōu)先級一樣，采用先來先得的方式占用總線，分別由各自FIFO的指針來觸發(fā)總線占用。一場數據寫入SDRAM完畢之后，開始發(fā)送。需要依次讀出第n、n+128、n+256行的數據給數據發(fā)送FIFO0、1、2，等待數據發(fā)送單元啟動發(fā)送。

　　3.3 LCD接口和逐點校正

　　PXA255的LCD接口配置為smart panel形式，具體時序關系可參考PXA255的手冊。FPGA根據這些時序關系，將數據讀入，進行下一步的處理。

　　由于在生產過程中LED管的參數不可能完全一致，因此為了獲得良好的圖像顯示效果，必須對LED管進行篩選。這也是LED屏價格昂貴的一個重要原因。

　　采用逐點校正技術，可逐點調節(jié)LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高一個數量等級，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購的成本也隨之大大降低。此外，系統采用的逐點校正技術，可以在線修改校正參數，使得LED屏在投入運營之后也可以修改校正參數，補償由于LED管老化對顯示效果的影響，提高LED屏的使用壽命。因此，逐點校正技術使LED模塊作為室內外全彩色顯示屏的基本元件成為理想方案。

　　逐點校正參數存于SD卡中，在系統上電之后，ARM首先將該數據通過LCD接口（此時配置為GPIO）傳送到FPGA，FPGA將其存入SDRAM中。此后，即可對LCD接口輸入的數據進行校正。

　　3.4 數據發(fā)送

　　在數據發(fā)送時，每行數據作為1幀，加入特定的幀頭之后開始發(fā)送。為了減少總線數量，采用串行總線形式，每組信號共有4路，分別是源同步時鐘和RGB三基色的串行數據。信號均以LVDS（Low Voltage Differential Signal，低電壓差分信號）的形式傳輸。LVDS采用差分方式傳送數據，有比單端傳輸更強的共模噪聲抑制能力，可實現長距離、高速率和低功耗的傳輸。 Altera公司的Cyclone II系列FPGA可以方便地通過I／O配置獲得LVDS的能力。

　　發(fā)送幀頭由4字節(jié)的同步頭+數據當前行號+ID號組成。由于圖像的連續(xù)像素值的相關性比較高，因此使用偽隨機碼作為同步頭，其同步性能比較可靠。當前行號用于控制器判斷是否出現丟幀，并根據當前的行號決定當前數據的存儲地址。由于每一組數據實際上由兩個控制器分別處理（見圖1），所以需要判斷標志來截取不同的數據部分。ID號即是不同控制器截取某行中不同列數的標準，數據在發(fā)送時ID為零。

　　4 全彩色LED顯示控制器

　　全彩色LED顯示控制器負責接收、轉換和處理串入的RGB三基色信號，以一定的規(guī)律和方式將信號傳送到LED顯示屏上顯示?？刂破髦苯記Q定了顯示屏的顯示效果，也決定了LED顯示屏性能的優(yōu)劣。控制器的結構如圖3所示。

　　控制器的架構與數據分發(fā)類似，也采用二級存儲模式，主要有數據接收、Gamma校正和交織、掃描控制輸出以及總線調度和SDRAM控制四部分。

　　4.1 存儲器分配和總線調度

　　由于數據輸入場頻與LED掃描場頻通常不能成整數倍關系，可能出現輸入一場數據結束，該場數據的處理結果（Gamma校正和交織后）需要寫入SDRAM，而此時掃描一場沒有結束，即正在讀的那個區(qū)域不能覆蓋，而上一場的數據還沒有顯示也不能覆蓋，因此交織地寫入（即掃描的讀出）需要開辟三塊分區(qū)。

　　總線仲裁算法為：控制輸出模塊和寫入模塊采用先來先得的算法，而校正和交織過程的讀寫，則優(yōu)先級最低，可以在前面二者申請時被掛起，只有當前二者不再需要總線時，才可以分配到總線的使用權。

　　4.2 數據接收

　　數據接收單元除了需要同步判決、串并轉換之外，還要確定一行中哪些數據需要本控制器處理。控制器截取每行中第128*ID～128*（ID+1）-1列的數據，同時將ID號加1，其他數據原樣輸出，送給下一級控制器。這樣的控制方法比常用的撥碼開關法更加靈活可靠。

　　4.3 Gamma校正和交織

　　Gamma校正可以使LED顯示效果更接近于人眼的生理特性，而且由于PXA255輸出的是8位數據，系統需要將其校正為12位，大大提高了顯示的對比度。

　　由于LED顯示控制器采用逐位顯示的方法，輸入的數據與輸出到LED顯示屏上的數據組織形式不一樣：前者按像素點排列，而后者則按像素數值的不同位數組織。

　　4.4 控制輸出

　　12位數據顯示的時間分別為（64、32、16、8、4、2、1、1／2、1／4、1／8、1／16、1／32）*128*Tsclk，其中Tsclk為串行移位時鐘。交織之后，不同權重的數據顯示信號顯示有效時間不同，即可達到顯示的效果。

　　總線調度器將交織后的數據寫入本模塊的FIFO。由模塊內部生成讀取該FIFO的控制信號，并對其進行計數。模塊內需要對移位個數及權重進行計數，以決定發(fā)出鎖存信號及顯示信號的有效時間。

　　5 結 論

　　實驗測試結果表明，該系統亮度合適，使用分辨率細膩（64G色），場掃描頻率高（約400 Hz），像素高（320×240點），可用于戶外廣播級應用。該設計通過逐點調節(jié)亮度，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購的成本也隨之降低，從8位增至12位使圖像的顏色等級大大增加，特別在低亮度區(qū)可使圖像完美再現，而Gamma校正則使LED顯示屏所進行的亮度變換更符合人眼的生理特點。此外，除接收來自ARM的信號外，還可通過 HDMI接口接收來自機頂盒的數據信號，有廣闊的市場應用前景。