【導讀】本文分析了市場上常見的異步全彩LED顯示控制方案，提出了基于京微雅格SoC FPGA的針對門楣廣告應用的優化解決方案。在單主控的情況下實現了高灰度，高刷新的異步全彩LED。
LED顯示屏市場概況
全彩LED顯示被普遍應用于戶外及室內的大型廣告、舞臺背景等場合（大多是同步顯示），隨著價格的下降，全彩LED顯示已經開始被使用于門楣廣告（異步顯示）。當前門楣廣告一般采用單雙色LED顯示，市場需求大。與單雙L E D相比，全彩LED能夠展現更豐富的內容，如真彩圖片、動畫、視頻等，全彩LED顯示將是門楣廣告屏的發展趨勢。
市場流行方案的介紹
目前市場上比較流行的方案有以下幾種：
①ARM-Cortex-A8+FPGA解決方案
該方案的特點：功能齊全，其中ARM Cortex-A8可以實現對主流視頻格式的解碼，但是方案成本偏高，對于門楣廣告這種小屏顯示的使用場景來說有些浪費。方案框圖如圖1所示。
圖1：ARM-Cortex-A8+FPGA方案框圖
②ARM Cortex-M4解決方案
該方案的特點： 結構簡單，但是由于沒有使用FPGA ，ARMCortex-M4的實時性及速度無法滿足全彩LED顯示的控制要求，所以只能實現“七彩”顯示，而不能實現真正意義上的全彩顯示。方案框圖如圖2所示。
圖2：ARM Cortex-M4方案框圖
③FPGA解決方案
該方案是同步全彩控制系統的一個衍生產品，可以實現簡單的錄制，功能相對單一。方案框圖如圖3所示。
圖3：單FPGA方案框圖
京微雅格SoC FPGA方案
京微雅格CME-M5系列FPGA集成了增強型8051MCU，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），128KB 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在線調試；外設有3個16bit定時器，1個16bit看門狗，1個I2C接口，1個SPI接口，2個USART接口，1個RTC實時時鐘，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、系統在線更新、動態頻率切換等特性。CME-M5內部結構框圖見圖4。
圖4 ：京微雅格CME-M5器件結構框圖
在本設計中， 增強型8051 實現以太網TCP/IP協議棧，實現對NandFlash/SD卡的訪問，顯示特效處理，并調度FPGA功能模塊實現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，讓用戶通過上位機軟件編輯“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以太網傳送給CME-M5，由CME-M5把接收到的數據文件寫入NandFlash/SD卡。系統框圖如圖5所示。
圖5：基于CME-M5解決方案框圖
CME-M5 FPGA功能描述
伽馬校正
根據LED的響應特性，需要對輸入的8位灰度值進行伽馬校正，使之映射到14～16位灰度值，這部分功能是FPGA通過查表方式的實現的。伽馬校正的參數可以通過PC上位機進行修改。
灰度控制
下面以8位/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R、G、B各使用8位來表示灰度值(2^8=256，即256級灰度)。每顆LED有獨立的R、G、B三個信號供FPGA分別控制。全彩LED驅動芯片通常分為自帶PWM的恒流源以及不帶PWM的恒流源。接下來以不帶PWM的驅動芯片MBI5024為例介紹灰度控制原理。MBI5024的內部結構框圖見圖6。
圖6：MBI5024器件原理框圖
FPGA向SDI送入每個像素點R/G/B灰度值，OUT0～OUT15連接LED的R/G/B，OEn控制對應每位灰度值點亮LED時間的長短。8位/256級灰度控制，通常使用19場方式，假設子場的周期為T，那么一個刷新周期的總時間為19T。19場被分為8份，時間分別為8T，4T，2T，1T，1T，1T，1T，1T；OEn有效時間分別為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T。
以下介紹如何對R 進行灰度控制，G，B的灰度控制原理是類似的。8T對應8位灰度值的最高位R[7]，其刷新的時間長度為8T；4T對應8位灰度值的次高位R[6]，刷新的時間長度為4T…1/16T對應最低位R[0]，刷新的時間長度為1/16T。如圖7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顆至第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；
2. 使能LE信號對R0[7]～R15[7]鎖存，使能OEn信號，保持時間為8T（即時序圖中的T0周期）；在此過程中，SDI移入R0[6]～R15[6]灰度數據；
3. 使能LE信號對R0[6]～R15[6]鎖存，使能OEn信號，保持時間為4T（即時序圖中的T1周期）；在此過程中，SDI移入并鎖存R0[5]～R15[5]灰度數據；
4. ……
5. 使能LE信號對R0[3]～R15[3]鎖存，使能OEn信號，保持時間為1/2T （ 即時序圖中的T4 周期） ，1/2T后把OE_n信號置為無效；在此過程中，SDI移入并鎖存R0[2]～R15[2]灰度數據；
6. ……
7. 使能LE信號對R0[0]～R15[0]鎖存，使能OEn信號，保持時間為1/16T（即時序圖中的T7周期），之后把OEn信號置為無效；至此，完成一個灰度值顯示的刷新周期。
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需要說明的是，以上僅以16顆LED作為例子，實際應用中會級聯多個MBI5024芯片，即上一級MBI5024芯片的SDO連接至下一級MBI5024的SDI，當有N個MBI5024級聯的，相當于一個N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上面介紹的7個步驟類似。
在一個灰度刷新周期內（19T），OE總有效時間為：8T+4T+2T+1T+1/2T+1/4T+1/8T+1/16T=15.9375T，亮度的利用率為：15.9375T/(19T)*100%=83.88%，也就是亮度損失為1-83.88%=16.12%。
圖7：8位/256級灰度控制時序圖
對于16位/65536級灰度，常用27 子場方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n 有效時間為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/1 6T，1/32T，1/6 4T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T，1/4096T；亮度利用率為：15.999755859375T/(27T)*100%=59.26%，亮度損失為1- 59.26%=40.74%。
使用不同數量的子場，亮度的利用率是不同的，例如：16位/65536級灰度也可以采用42子場方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OEn有效時間為16T，8T，4T，2T，T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T，1/32T，1/64T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T，亮度利用率為：31.99951171875T/(42T)*100%=59.26%=76.19%，亮度損失為1-76.19%= 23.81%。
刷新率驅動芯片的數據時鐘頻率、LED屏的掃描方式（靜態～16掃）以及尋址數固定以后，子場的時間T也就隨之定下來，以16位/65536級灰度為例，如果采用27子場的方式，刷新率約為：F=1/(27*T)，最小OE_n脈寬為T/4096；如果采用42子場的方式，刷新率約為：F=1/(42*T)，最小OE_n脈寬為T/2048?？紤]到其他時間開銷，實際的刷新率F會比以上估算值略低。
可以看出在子場時間T一定的情況下，后者（42T）的刷新率比前者低（27T），但是亮度的利用率比前者高，OE_n最小脈寬比前者長（對于驅動芯片來說，OE_n的脈寬最小值是有限制的，當脈寬太窄時，驅動芯片將無法識別），所以，具體設計需根據實際情況做權衡。為了提高視覺刷新率（Visual Refresh Rate），可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期內；對動態掃描屏，還可以把實現灰度值的所有子場分割成多份，在刷新每一行時，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切換速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接著刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，從而提高視覺刷新率。通過優化的PWM編碼，不僅可以提高視覺刷新率，也能夠提高LED亮度利用率。
CME-M5 8051功能描述
200MHz主頻8051MCU是整個系統的主控，負責與PC的通信，實現TCP/IP協議棧，通過以太網接收來自于PC端的節目內容，并以文件方式寫入SD卡進行節目更新，同時，8051也負責節目特效處理。
另外，8051采集溫度傳感器、濕度傳感器信息，顯示在LED屏幕上；采集環境光傳感器，實現亮度自動調節；通過紅外遙控實現節目切換。CME-M5已集成了RTC實時時鐘，無須外擴芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時，分，秒，星期等信息；支持數字時鐘及模擬時鐘顯示。
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