基于ARM和FPGA的全彩獨(dú)立視頻LED系統(tǒng) - 全文

　　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(guò) 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(wú)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(lái)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(lái)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(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(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∩?。通常灰度?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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)源資源等優(yōu)點(diǎn)，正被越來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)控制（見(jiàn)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。

　　3.2 存儲(chǔ)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(chǔ)器采用兩級(jí)存儲(chǔ)模式，即SDRAM 作為主存儲(chǔ)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(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(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(qǐng)求時(shí)，如果不是同一場(chǎng)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(chǔ)逐點(diǎn)校正參數(shù)，一塊存儲(chǔ)當(dāng)前場(chǎng)數(shù)據(jù)，另一塊存儲(chǔ)上一場(chǎng)數(shù)據(jù)（即正在發(fā)送的數(shù)據(jù)）。這就要求在一個(gè)場(chǎng)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(chǔ)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(chǔ)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(xiě)入SDRAM的優(yōu)先級(jí)一樣，采用先來(lái)先得的方式占用總線，分別由各自FIFO的指針來(lái)觸發(fā)總線占用。一場(chǎng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入SDRAM完畢之后，開(kāi)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FIFO0、1、2，等待數(shù)據(jù)發(fā)送單元啟動(dòng)發(fā)送。

　　3.3 LCD接口和逐點(diǎn)校正

　　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(cè)。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(guò)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(duì)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(jí)，從而可以使采購(gòu)廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購(gòu)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(yíng)之后也可以修改校正參數(shù)，補(bǔ)償由于LED管老化對(duì)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(guò)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(duì)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(kāi)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(hào)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(hào)均以LVDS（Low Voltage Differential Signal，低電壓差分信號(hào)）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(zhǎng)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(guò)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(hào)+ID號(hào)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(hào)用于控制器判斷是否出現(xiàn)丟幀，并根據(jù)當(dāng)前的行號(hào)決定當(dāng)前數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jiàn)圖1），所以需要判斷標(biāo)志來(lái)截取不同的數(shù)據(jù)部分。ID號(hào)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(hào)，以一定的規(guī)律和方式將信號(hào)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?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　控制器的架構(gòu)與數(shù)據(jù)分發(fā)類似，也采用二級(jí)存儲(chǔ)模式，主要有數(shù)據(jù)接收、Gamma校正和交織、掃描控制輸出以及總線調(diào)度和SDRAM控制四部分。

　　4.1 存儲(chǔ)器分配和總線調(diào)度

　　由于數(shù)據(jù)輸入場(chǎng)頻與LED掃描場(chǎng)頻通常不能成整數(shù)倍關(guān)系，可能出現(xiàn)輸入一場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)束，該場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果（Gamma校正和交織后）需要寫(xiě)入SDRAM，而此時(shí)掃描一場(chǎng)沒(méi)有結(jié)束，即正在讀的那個(gè)區(qū)域不能覆蓋，而上一場(chǎng)的數(shù)據(jù)還沒(méi)有顯示也不能覆蓋，因此交織地寫(xiě)入（即掃描的讀出）需要開(kāi)辟三塊分區(qū)。

　　總線仲裁算法為：控制輸出模塊和寫(xiě)入模塊采用先來(lái)先得的算法，而校正和交織過(guò)程的讀寫(xiě)，則優(yōu)先級(jí)最低，可以在前面二者申請(qǐng)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?？刂破鹘厝∶啃兄械?28*ID～128*（ID+1）-1列的數(shù)據(jù)，同時(shí)將ID號(hào)加1，其他數(shù)據(jù)原樣輸出，送給下一級(jí)控制器。這樣的控制方法比常用的撥碼開(kāi)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(duì)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(hào)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(xiě)入本模塊的FIFO。由模塊內(nèi)部生成讀取該FIFO的控制信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。模塊內(nèi)需要對(duì)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(hào)及顯示信號(hào)的有效時(shí)間。

　　5 結(jié) 論

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)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(chǎng)掃描頻率高（約400 Hz），像素高（320×240點(diǎn)），可用于戶外廣播級(jí)應(yīng)用。該設(shè)計(jì)通過(guò)逐點(diǎn)調(diào)節(jié)亮度，從而可以使采購(gòu)廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購(gòu)的成本也隨之降低，從8位增至12位使圖像的顏色等級(jí)大大增加，特別在低亮度區(qū)可使圖像完美再現(xiàn)，而Gamma校正則使LED顯示屏所進(jìn)行的亮度變換更符合人眼的生理特點(diǎn)。此外，除接收來(lái)自ARM的信號(hào)外，還可通過(guò) HDMI接口接收來(lái)自機(jī)頂盒的數(shù)據(jù)信號(hào)，有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。