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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) 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 RISCMachine)是英國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IntelXScale系列的PXA255芯片，與ARMv5TE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存儲卡(Secure Digital MemoryCard)。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。 3.2 存儲器分配和總線調(diào)度 為了方便各模塊間的接口，有利于不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)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(yīng)FIFO作為Cache。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(fù)雜，每次讀寫有多個(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)讀寫方式，而不能像SRAM那樣隨時(shí)讀取任意地址的數(shù)據(jù)。 本方案采用完全動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配機(jī)制，即每個(gè)模塊請求時(shí)，如果不是同一場數(shù)據(jù)，則可以分配到一塊新的內(nèi)存，而一旦該內(nèi)存的數(shù)據(jù)不再有效，則釋放這塊內(nèi)存。這樣，每塊內(nèi)存都有自己的屬性，標(biāo)志是使用中的內(nèi)存，還是空閑內(nèi)存，以及當(dāng)前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是否在等待被使用的隊(duì)列中，因此內(nèi)存需要分成3塊。其中一塊存儲逐點(diǎn)校正參數(shù)，一塊存儲當(dāng)前場數(shù)據(jù)，另一塊存儲上一場數(shù)據(jù)(即正在發(fā)送的數(shù)據(jù))。這就要求在一個(gè)場同步周期內(nèi)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，而這一要求是完全可以達(dá)到的。 總線調(diào)度是本模塊的核心部分，必須精確計(jì)算總線帶寬的占用情況，確定各部分FIFO的深度，以保證各個(gè)FIFO不會(huì)出現(xiàn)溢出或讀空的現(xiàn)象。 總線調(diào)度器需要調(diào)度3塊存儲器，還需要為每一個(gè)模塊維護(hù)一個(gè)偏移地址的首地址，以及一個(gè)偏移地址計(jì)數(shù)寄存器。為了便于計(jì)算偏移地址，用SDRAM物理上的兩行存儲一行的數(shù)據(jù)，而將多余部分空余。 總線調(diào)度器的仲裁算法為：逐點(diǎn)校正參數(shù)與校正后數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO PXA255的LCD接口配置為smart panel形式，具體時(shí)序關(guān)系可參考PXA255的手冊。FPGA根據(jù)這些時(shí)序關(guān)系，將數(shù)據(jù)讀入，進(jìn)行下一步的處理。 由于在生產(chǎn)過程中LED管的參數(shù)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。這也是LED屏價(jià)格昂貴的一個(gè)重要原因。 采用逐點(diǎn)校正技術(shù)，可逐點(diǎn)調(diào)節(jié)LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高一個(gè)數(shù)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(tǒng)采用的逐點(diǎn)校正技術(shù)，可以在線修改校正參數(shù)，使得LED屏在投入運(yùn)營之后也可以修改校正參數(shù)，補(bǔ)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(nèi)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(shù)存于SD卡中，在系統(tǒng)上電之后，ARM首先將該數(shù)據(jù)通過LCD接口(此時(shí)配置為GPIO)傳送到FPGA，F(xiàn)PGA將其存入SDRAM中。此后，即可對LCD接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。 3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送 在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，每行數(shù)據(jù)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(shù)量，采用串行總線形式，每組信號共有4路，分別是源同步時(shí)鐘和RGB三基色的串行數(shù)據(jù)。信號均以LVDS(Low Voltage DifferentialSignal，低電壓差分信號)的形式傳輸。LVDS采用差分方式傳送數(shù)據(jù)，有比單端傳輸更強(qiáng)的共模噪聲抑制能力，可實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)當(dāng)前行號+ID號組成。由于圖像的連續(xù)像素值的相關(guān)性比較高，因此使用偽隨機(jī)碼作為同步頭，其同步性能比較可靠。當(dāng)前行號用于控制器判斷是否出現(xiàn)丟幀，并根據(jù)當(dāng)前的行號決定當(dāng)前數(shù)據(jù)的存儲地址。由于每一組數(shù)據(jù)實(shí)際上由兩個(gè)控制器分別處理(見圖1)，所以需要判斷標(biāo)志來截取不同的數(shù)據(jù)部分。ID號即是不同控制器截取某行中不同列數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)ID為零。 4 全彩色LED顯示控制器 全彩色LED顯示控制器負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)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。控制器直接決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(jié)構(gòu)如圖3所示。 4.1 存儲器分配和總線調(diào)度 由于數(shù)據(jù)輸入場頻與LED掃描場頻通常不能成整數(shù)倍關(guān)系，可能出現(xiàn)輸入一場數(shù)據(jù)結(jié)束，該場數(shù)據(jù)的處理結(jié)果(Gamma校正和交織后)需要寫入SDRAM，而此時(shí)掃描一場沒有結(jié)束，即正在讀的那個(gè)區(qū)域不能覆蓋，而上一場的數(shù)據(jù)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(shí)被掛起，只有當(dāng)前二者不再需要總線時(shí)，才可以分配到總線的使用權(quán)。 4.2 數(shù)據(jù)接收 數(shù)據(jù)接收單元除了需要同步判決、串并轉(zhuǎn)換之外，還要確定一行中哪些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，同時(shí)將ID號加1，其他數(shù)據(jù)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(guān)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(shù)據(jù)，系統(tǒng)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(shù)據(jù)與輸出到LED顯示屏上的數(shù)據(jù)組織形式不一樣：前者按像素點(diǎn)排列，而后者則按像素?cái)?shù)值的不同位數(shù)組織。 4.4 控制輸出 12位數(shù)據(jù)顯示的時(shí)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(shí)鐘。交織之后，不同權(quán)重的數(shù)據(jù)顯示信號顯示有效時(shí)間不同，即可達(dá)到顯示的效果。 總線調(diào)度器將交織后的數(shù)據(jù)寫入本模塊的FIFO。由模塊內(nèi)部生成讀取該FIFO的控制信號，并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。模塊內(nèi)需要對移位個(gè)數(shù)及權(quán)重進(jìn)行計(jì)數(shù)，以決定發(fā)出鎖存信號及顯示信號的有效時(shí)間。 5 結(jié) 論 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)亮度合適，使用分辨率細(xì)膩(64G色)，場掃描頻率高(約400 Hz)，像素高(320×240點(diǎn))，可用于戶外廣播級應(yīng)用。該設(shè) |
