基于SoC FPGA芯片的異步全彩LED顯示控制器解決方案

　　3 京微雅格SoC FPGA方案

　　京微雅格CME-M5系列 FPGA集成了增強型8051 MCU，兼容標準8051指令集，12倍于標準8051的MIPS，頻率最高可達200MHz，支持高達8MB數據及代碼空間擴展，支持硬件32/16- bit MDU(Multiplication Division Unit)，128K Byte SPRAM，可作為8051的代碼或數據存儲器，集成片上調試系統OCDS，支持JTAG在線(xiàn)調試;外設有3個(gè)16-bit定時(shí)器，1個(gè)16-bit看門(mén)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)的系統編程、系統多配置、系統在線(xiàn)更新、動(dòng)態(tài)頻率切換等特性。CME-M5內部結構框圖見(jiàn)圖5。

圖5：京微雅格CME-M5器件結構框圖

　　在本設計中，增強型 8051實(shí)現以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現對NandFlash / SD卡的訪(fǎng)問(wèn)，顯示特效處理，并調度FPGA功能模塊實(shí)現LED顯示。FPGA則負責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提供人機交互，讓用戶(hù)通過(guò)上位機軟件編輯“節目”，即需要最終在LED屏上顯示的內容，包含文本，圖片，視頻以及顯示特效，例如百葉窗，流水等;最后上位機軟件把“節目”轉換成特定的數據文件通過(guò)以太網(wǎng)傳送給CME-M5，由CME-M5把接收到的數據文件寫(xiě)入NandFlash/SD卡。系統框圖如下：

圖6：基于CME-M5解決方案框圖

　　CME-M5 FPGA功能描述

　　1)伽馬校正

　　根據LED的響應特性，需要對輸入的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)現的。伽馬校正的參數可以通過(guò)PC上位機進(jìn)行修改。

　　2)灰度控制

　　下面以8bit/256級灰度作為例子，闡述LED灰度控制原理。對于RGB三基色LED顯示，256級灰度意味著(zhù)R、G、B各使用8bit來(lái)表示灰度值(2^8=256，即256級灰度)。每顆LED有獨立的R、G、B三個(gè)信號供FPGA分別控制。

　　全彩LED驅動(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的驅動(dòng)芯片MBI5024為例介紹灰度控制原理。MBI5024的內部結構框圖見(jiàn)圖7。 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，OE_n控制對應每bit灰度值點(diǎn)亮LED時(shí)間的長(cháng)短。 8bit/256級灰度控制，通常使用19場(chǎng)方式，假設子場(chǎng)的周期為T(mén)，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;OE_n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R進(jìn)行灰度控制，G，B的灰度控制原理是類(lèi)似的。8T對應8bit灰度值的最高位R[7]，其刷新的時(shí)間長(cháng)度為8T;4T對應8bit灰度值的次高位R[6]，其刷新的時(shí)間長(cháng)度為4T……1/16T對應最低位R[0]，其刷新的時(shí)間長(cháng)度為1/16T。如圖8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~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;