基于一種高分辨率高色彩深度的LED顯示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

21世紀(jì)，led大屏幕電子顯示屏向更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光均勻比、更高的可靠性、全色化、多媒體的方向發(fā)展，系統(tǒng)的運(yùn)行、操作與維護(hù)也向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。越來越多的場(chǎng)合需要高分辨率，高顯示質(zhì)量的超大屏幕LED顯示產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)全彩LED顯示屏的控制系統(tǒng)主要采用基于PC機(jī)顯卡輸出視頻數(shù)據(jù)的通信控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分成發(fā)送板，接收板，掃描板，驅(qū)動(dòng)板等幾大板塊，而發(fā)送板采用的接口大多數(shù)是DVI數(shù)字接口。DVI接口是由1998年9月，在IntEL開發(fā)者論壇上成立的數(shù)字顯示工作小組發(fā)明的一種高速傳輸數(shù)字信號(hào)的技術(shù)。單連接DVI接口最高傳輸視頻分辨率為1920*768*60Hz視頻數(shù)據(jù)，該接口只支持RGB單色8bit的色彩深度。并且DVI接口不支持音頻信號(hào)的傳輸?？紤]到未來多媒體的需要，這顯然是個(gè)致命傷。HDMI接口［1］作為DVI接口的取代者，不但解決了高色深的問題，還增加了音頻通道，實(shí)現(xiàn)音視頻一根線傳輸?shù)姆桨福?jié)省系統(tǒng)資源，簡(jiǎn)化布線難度。

2006年6月，HDMI 1.3標(biāo)準(zhǔn)公布，PC顯示卡有10bit色彩的數(shù)字視頻輸出接口，但當(dāng)時(shí)受到WINDOWS XP操作系統(tǒng)的限制，仍然不能大面積普及。2009年10月，微軟發(fā)布WINDOW 7操作系統(tǒng)，支持單色10bit的色彩通道。10bit色彩的處理能力，不僅能大大的提高顯示屏顏色表現(xiàn)的細(xì)膩程度，還能提高修正的精度，提高顯示屏的整體顯示質(zhì)量。10bit色彩視頻將會(huì)在不久后的未來大范圍普及。近期公布的HDMI 1 .4標(biāo)準(zhǔn)的還加入了一條百兆網(wǎng)通道，利用該通道，控制系統(tǒng)和PC機(jī)將可通過一條HDMI線進(jìn)行雙向通信，這將大大節(jié)省系統(tǒng)資源。

2、控制系統(tǒng)的模型

傳統(tǒng)的拼接技術(shù)采用顯卡的擴(kuò)展模式，分立出另一個(gè)通道的視頻數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要前置視頻處理器即可實(shí)現(xiàn)視頻拼接和分割。但由于受到顯卡的限制，分割位置是固定的，不能靈活設(shè)置，并且大多數(shù)顯卡不能提供4個(gè)以上的視頻接口，不能適應(yīng)多變的LED大屏幕市場(chǎng)。而且兩個(gè)通道的視頻信號(hào)往往不同步，在大屏幕的拼接處就會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的視頻撕裂問題。

綜合上述顯示需求，本文提出一種基于HDMI接口，提供1080p分辨率，10bit色深的LED大屏幕顯示控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)模型的基本特點(diǎn)是多區(qū)域并行顯示。視頻處理器接收一路HDMI信號(hào)或融合2路HDMI信號(hào)實(shí)現(xiàn)畫中畫，然后分割成4路同時(shí)發(fā)出，在時(shí)序上，4路輸出完全同步，可以解決拼接處視頻撕裂的問題。

圖1. 顯示控制系統(tǒng)模型

如圖1示，在這個(gè)顯示控制系統(tǒng)中，PC機(jī)通過HDMI接口，發(fā)送10bit色深，1080p@60Hz的高清視頻給視頻處理器。視頻處理器應(yīng)用視頻分割功能，將1080p@60Hz的視頻源分割為4塊1024*768*60Hz的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，如圖2所示，紅色，藍(lán)色，黃色和綠色區(qū)域?yàn)?塊分割后的顯示區(qū)域，中間黑色為1080p分辨率的圖像，對(duì)于超過此范圍的像素點(diǎn)，用以0標(biāo)記，保證輸出分辨率在1024x768，這樣將有利于發(fā)送卡接收處理信號(hào)。4塊發(fā)送卡通過8根千兆網(wǎng)線發(fā)送給遠(yuǎn)端的LED大屏幕，將4塊1024*768*60Hz的大屏幕拼接為1塊2048*1536*60Hz 的大屏幕。

圖2. 1080p@60Hz視頻分割

此方案的優(yōu)點(diǎn)是將1幅圖像分割成4個(gè)獨(dú)立區(qū)域顯示，每個(gè)區(qū)域受到PC機(jī)的控制，方便進(jìn)行多視頻之間的切換以及畫中畫功能。同時(shí)較高的分辨率和色彩深度不僅能為用戶提供良好的視覺享受，對(duì)于后端的校正處理也提供了更大的利用空間。

3、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 視頻處理器

圖3. 視頻處理器系統(tǒng)模型

視頻處理器主要完成的功能是視頻分割，視頻流控制，畫中畫，白平衡等常用的視頻處理技術(shù)。如圖3所示，視頻處理器配有兩路HDMI輸入接口和四路HDMI輸出接口，采用基于ARM+FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)，配合DDR166SDRAM，并提供OLED和用戶接口，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)互動(dòng)能力，方便用戶使用。視頻處理器接收2路HDMI信號(hào)，根據(jù)用戶需要，將其融合成為一路HDMI視頻流，并分割為4路XGA格式輸出。

內(nèi)存的數(shù)據(jù)吞吐速度是本設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)，如果內(nèi)存速度不夠，將會(huì)導(dǎo)致丟幀，反映到大屏幕上就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的抖動(dòng)，甚至無法顯示等問題。對(duì)于任意分辨率的視頻信號(hào)，其總帶寬由公式（1）計(jì)算得出。

公式（1）中，P為視頻總像素?cái)?shù)量，B為每個(gè)像素的色彩深度，R為刷新周期。由公式（1）可以得出1080p@60Hz的視頻信號(hào)的總帶寬為：

1，920x1，01 8x30bit=3.8Gbps

DDR166 SDRAM核心工作頻率僅為166Mhz，但由于DDR采用2BIT預(yù)讀取技術(shù)，每個(gè)時(shí)鐘周期處理2bit數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的SDRAM每周期只處理1bit數(shù)據(jù)。因此DDRSDRAM比傳統(tǒng)的SDRAM的速度快了將近一倍，其每個(gè)I/O數(shù)據(jù)吞吐速率可達(dá)300Mhz。

根據(jù)DDRSDRAM的工作原理，可以得到計(jì)算DDRSDRAM帶寬的公式（2）：

公式（2）中，B為DDRSDRAM的數(shù)據(jù)位寬，為核心工作頻率，由公式（2）可計(jì)算求出主頻率166Mhz位寬30bit的內(nèi)存的總帶寬為9.9Gbps。但由于動(dòng)態(tài)內(nèi)存存在刷新和指令操作，實(shí)際帶寬不可能達(dá)到這個(gè)數(shù)值。

對(duì)于乒乓操作而言，輸入總帶寬和輸出總帶寬必須滿足下列關(guān)系：

如果和不滿足公式（3）的不等式關(guān)系，那么，在實(shí)時(shí)處理中將會(huì)丟失數(shù)據(jù)包，從而造成大屏幕抖動(dòng)或不能正常顯示。

在本設(shè)計(jì)中，由于接入2路HDMI輸入，所以輸入總帶寬為一路的2倍，即7.6 Gbps，顯然，7.6 Gbps的兩倍要遠(yuǎn)大于9.9Gbps，因此DDRSDRAM必須擴(kuò)展其位寬到60bit，從而增加其數(shù)據(jù)吞吐速率。

圖4. 乒乓操作

系統(tǒng)輸入端數(shù)據(jù)處理如圖4所示，兩路HDMI輸入采用乒乓操作，共需要4塊512x30bit的RAM。每塊RAM對(duì)于DDR SDRAM為256x60bit。1次向DDR SDRAM中寫入512個(gè)像素的數(shù)據(jù)，可以提高內(nèi)存的使用效率。

HDMIPORT持續(xù)的向RAM中寫入數(shù)據(jù)，每當(dāng)寫滿一塊RAM后，發(fā)送ACK信號(hào)給DDR CTRL模塊，該模塊根據(jù)接收到的ACK信號(hào)，自動(dòng)將RAM中的數(shù)據(jù)分配給DDR SDRAM中的相應(yīng)區(qū)域，如果兩個(gè)端口都沒寫完，則將DDR SDRAM中的數(shù)據(jù)讀出，分配給后端的HDMI發(fā)送口。從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視頻處理的功能。

3.2 顯示的層次結(jié)構(gòu)

發(fā)送卡的系統(tǒng)模型如圖5所示，采用FPGA作為系統(tǒng)的處理核心，配合SDRAM 166處理1024*768*60hz的視頻信號(hào)，并加入千兆以太網(wǎng)模塊，USB轉(zhuǎn)SPI總線模塊，在為大屏幕傳輸視頻信號(hào)的同時(shí)，還可以接收上位PC機(jī)的矯正系數(shù)和控制信息，并將其發(fā)送給大屏幕，同時(shí)，全雙工操作的千兆網(wǎng)模塊，還可在發(fā)送視頻信號(hào)的同時(shí)，接收來自大屏幕的反饋控制信息，方便用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖5. 發(fā)送卡系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)中，發(fā)送卡處理能力限制為1024*768@60Hz，像素時(shí)鐘為65Mhz，一顆166Mhz的SDRAM完全可以勝任視頻處理的需要。如果色深為10bit模式發(fā)送卡接收的帶寬為1.5Gbps，如果色深為12bit接收帶寬變?yōu)?.7Gbps，通過2根帶寬各為1G的千兆網(wǎng)傳輸完全可以勝任未來發(fā)展的需要。

發(fā)送卡的接收端與視頻處理器的單路HDMI接收模塊基本相同，而發(fā)送端的核心控制模塊為數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊。這里的數(shù)據(jù)幀不是一般意義的圖像幀。根據(jù)IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括前導(dǎo)碼，數(shù)據(jù)幀開始標(biāo)識(shí)碼，目的和源MAC地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/類型表示碼，客戶端數(shù)據(jù)，PAD碼以及幀檢查序列共8個(gè)部分。實(shí)際應(yīng)用中我們可以將其改造，以適合實(shí)時(shí)的視頻傳輸特點(diǎn)［4］。

4、總結(jié)

本文詳細(xì)探討了一種高分辨率高色彩深度的LED顯示控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)以較高的性能解決了高分辨率下LED大屏幕的顯示控制問題。該系統(tǒng)不僅可以作為1塊超大分辨率LED大屏幕應(yīng)用，還可以拆分為各小塊，不僅節(jié)約帶寬，還為后續(xù)的升級(jí)做出了良好的拓展。

本系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，發(fā)送卡被限制在了1024x768@60Hz，對(duì)于超過此分辨的屏幕，必須采用拼接的技術(shù)，無形之中增加了成本，從而會(huì)降低靈活性，建議改進(jìn)此系統(tǒng)，增加發(fā)送卡的靈活性，以適應(yīng)復(fù)雜多變的LED顯示屏市場(chǎng)。
責(zé)任編輯；zl