一種基于HDMI技術(shù)的智能LED顯示屏控制器設計

　　HDMI(高清晰度多媒體接口，High Definition Multimedia)是基于DVI技術(shù)制定，可看作是DVI技術(shù)的強化與延伸，兩者可以兼容。HDMI接口可以提供高達5Gbps的數據傳輸帶寬，滿(mǎn)足 1080p的分辨率，并支持所有的HDTV等標準以及DVD Audio等先進(jìn)的數字音頻格式，支持多聲道96kHz或立體聲192kHz數碼音頻傳遞，而且只用一條HDMI線(xiàn)連接，可以用于免除數碼音頻接線(xiàn)。與此同時(shí)，HDMI接口無(wú)需在信號傳送前進(jìn)行數/?；蛘吣?數轉換，可以保證最高質(zhì)量的影音信號傳送。

　　現在，HDMI 作為一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)傳輸高清信號的接口，版本已經(jīng)從1.1發(fā)展到了1.3，和1.1、1.2版比，有幾個(gè)新特性和功能：(1)帶寬從5Gb/s提高到 10Gb/s;(2)色彩從24bit提高到48bit;(3)支持xvYCC寬色域;(4)支持DOLBY TRUE HD和DTS-HD;(5)新增唇形同步技術(shù)，解決音視頻不同步問(wèn)題;(6)新增迷你接口?，F在，HDMI接口作為顯示設備與影音設備之間的一個(gè)重要的橋梁，已經(jīng)成為新一代數字影音設備的標準。據統計，在2003年，HDMI消費類(lèi)電子產(chǎn)品的銷(xiāo)售量?jì)H有25萬(wàn)臺，而2007年一年所配備的HDMI產(chǎn)品數量就增加至1.5億臺。

　　但是，目前幾乎所有的HDMI接口產(chǎn)品都只局限于數字電視以及DVD系列產(chǎn)品，本文利用最新的HDMI 1.3技術(shù)設計了一款智能顯示屏控制器，將HDMI技術(shù)應用到LED顯示屏行業(yè)，從而將LED顯示屏的顯示性能和效果提高了一大步。

　　系統結構及功能概述

　　根據LED顯示屏需具有較高的顯示性能和效果，以及方便控制的需求，顯示屏控制系統應具有足夠的輸入、輸出接口和遠程通信功能。我們基于HDMI 1.3技術(shù)的LED顯示屏控制器的系統結構如圖1所示。系統按功能可分為以下幾個(gè)模塊：6路模擬量輸入、2路DVI輸入、1路VGA輸入、RS-232和 RS-485通信、光纖數據傳輸、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及狀態(tài)指示等。

　　圖1. 基于HDMI技術(shù)的LED顯示屏控制器結構

　　主要功能模塊的設計

　　目前，顯示屏按數據的傳輸方式主要有同步顯示和脫機顯示兩類(lèi)。本文所介紹的LED顯示屏控制是一套同步顯示系統，即用一套嵌入式系統來(lái)為L(cháng)ED顯示屏提供視頻源，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。

　　獨立視頻LED系統

　　LED 顯示屏的主要性能指標有場(chǎng)掃描頻率、分辨率、灰度級和亮度等。顯然，在不同的應用場(chǎng)合需要對這3個(gè)性能指標進(jìn)行適當的取舍。因此，場(chǎng)掃描頻率、灰度級和亮度通常由控制器決定，而分辨率可以通過(guò)控制器陣列的方式得到很大的提高。本文實(shí)現的控制器中，通過(guò)控制器陣列的形式，獲得兩路光纖數據輸出，實(shí)現大的 LED顯示屏控制面積(2048*768)，從而實(shí)現顏色細膩的全彩色超大屏幕的LED顯示。

　　獨立視頻LED系統完全脫離計算機的控制，本身可以實(shí)現通信、視頻播放、數據分發(fā)、掃描控制等功能。

　　控制系統可以通過(guò)對視頻數據進(jìn)行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過(guò)數據分配單元，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。

　　視頻數據分配方案

　　由于控制器是對大幀數據(例如1024*768)進(jìn)行控制，因此需要對視頻源提供的數據進(jìn)行分配，將不同行列的數據正確地送入不同的控制器。

　　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)、控制像素為1024×768點(diǎn)。因此，需要將前端提供的RGB數據分3組發(fā)送到不同的分配器，以FPGA實(shí)現，方案如圖2 所示。

　　圖2. 視頻數據分配方案

　　數據校正子模塊接收前端輸入的數據，將這些數據進(jìn)行逐點(diǎn)校正之后存入SDRAM。然后將該場(chǎng)數據分成8組，同時(shí)發(fā)送給LED分配器。

　　為了方便各模塊間的接口，有利于不同時(shí)鐘域的數據同步，系統采用SDRAM作為主存儲器。SDRAM具有容量大、帶寬高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn);但是控制比較復雜，每次讀寫(xiě)有多個(gè)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(xiě)方式，而不能像SRAM那樣隨時(shí)讀取任意地址的數據。

　　本方案采用完全動(dòng)態(tài)的內存分配機制，即每個(gè)模塊請求時(shí)，如果不是同一場(chǎng)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?？偩€(xiàn)調度是本模塊的核心部分，必須精確計算總線(xiàn)帶寬的占用情況，以保證各個(gè)存儲部分不會(huì )出現溢出或讀空的現象。

　　輸入數據逐點(diǎn)校正

　　FPGA根據時(shí)序關(guān)系，將輸入數據讀入，進(jìn)行下一步的處理。由于在生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行篩選。

　　采用逐點(diǎn)校正技術(shù)，可逐點(diǎn)調節LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高一個(gè)數量等級，從而可以使采購廠(chǎng)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(diǎn)校正技術(shù)，可以在線(xiàn)修改校正參數，使得LED屏在投入運營(yíng)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(diǎn)校正技術(shù)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(diǎn)校正參數存于SPI存儲器中。系統上電之后，MCU首先將該數據傳送到FPGA，FPGA將其存入SDRAM中。此后，即可對前端接口輸入的數據進(jìn)行校正。

　　數據發(fā)送

　　在數據分配發(fā)送時(shí)，信號均以L(fǎng)VDS(Low Voltage Differential Signal)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(shí)現長(cháng)距離、高速率和低功耗的傳輸。我們采用的 FPGA是altera公司的Cyclone III系列。該系列FPGA可以方便地通過(guò)I/O配置獲得LVDS的能力。

　　兩路光纖數據輸出，可以保證后端數據支持大面積的屏體，從而實(shí)現大的LED顯示屏控制面積(兩塊1024*768)。這是通過(guò)altera公司的Cyclone III系列FPGA實(shí)現的。

　　MCU控制

　　由于本系統采用MCU+FPGA的架構，因此實(shí)現真正的網(wǎng)絡(luò )遠程操作，不僅可以作為一般的LED顯示屏控制器，更可以將各顯示節點(diǎn)組成大型的戶(hù)外廣告傳媒網(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(lái)配置，從而可以實(shí)時(shí)地進(jìn)行靈活而方便的更改和開(kāi)發(fā)，提高了系統效率。

　　為了使整個(gè)LED顯示屏控制系統更具人性化，控制器包含了串口(RS-232、RS-485)通信、紅外控制、SPI存儲器以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等一些輔助控制部分。此外，還增加了一個(gè)LCD顯示屏，用以同步顯示LED屏顯示內容。

　　總之，增加這些輔助控制部分，使得整個(gè)控制系統更智能，再配以我們自行開(kāi)發(fā)設計的系統軟件，就更人性化，易于用戶(hù)使用和操作。

　　綜上所述，該LED顯示屏控制系統提供6路模擬量輸入及2路DVI輸入接口，支持RS-232 和RS-485接口，可以實(shí)現實(shí)時(shí)數據采集和傳輸，而且可以對現場(chǎng)設備實(shí)行遠程開(kāi)關(guān)量控制。實(shí)驗測試結果表明，該系統亮度合適，使用分辨率細膩(64G 色)，場(chǎng)掃描頻率高(約400 Hz)，像素高(2048*768點(diǎn))，可用于戶(hù)外廣播級應用。該設計通過(guò)單點(diǎn)校正，從而可以使采購廠(chǎng)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。此外，除接收來(lái)自串口的信號外，還可通過(guò)HDMI接口接收數據信號。