基于HDMI技術(shù)的智能LED顯示屏控制器設(shè)計(jì)
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王光 西安文理學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)系
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(qiáng)化與延伸，兩者可以兼容。HDMI接口可以提供高達(dá)5Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，滿足 1080p的分辨率，并支持所有的HDTV等標(biāo)準(zhǔn)以及DVD Audio等先進(jìn)的數(shù)字音頻格式，支持多聲道96kHz或立體聲192kHz數(shù)碼音頻傳遞，而且只用一條HDMI線連接，可以用于免除數(shù)碼音頻接線。與此同時(shí)，HDMI接口無需在信號傳送前進(jìn)行數(shù)/�；蛘吣�/數(shù)轉(zhuǎn)換，可以保證最高質(zhì)量的影音信號傳送。
現(xiàn)在，HDMI 作為一種專門用來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題；（6）新增迷你接口�，F(xiàn)在，HDMI接口作為顯示設(shè)備與影音設(shè)備之間的一個(gè)重要的橋梁，已經(jīng)成為新一代數(shù)字影音設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2003年，HDMI消費(fèi)類電子產(chǎn)品的銷售量僅有25萬臺，而2007年一年所配備的HDMI產(chǎn)品數(shù)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(shù)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(shè)計(jì)了一款智能顯示屏控制器，將HDMI技術(shù)應(yīng)用到行業(yè)，從而將的顯示性能和效果提高了一大步。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能概述
根據(jù)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(tǒng)應(yīng)具有足夠的輸入、輸出接口和遠(yuǎn)程通信功能。我們基于HDMI 1.3技術(shù)的控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)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(shù)據(jù)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)的控制器結(jié)構(gòu)
主要功能模塊的設(shè)計(jì)
目前，顯示屏按數(shù)據(jù)的傳輸方式主要有同步顯示和脫機(jī)顯示兩類。本文所介紹的控制是一套同步顯示系統(tǒng)，即用一套嵌入式系統(tǒng)來為提供視頻源，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(dú)立視頻LED系統(tǒng)
LED 顯示屏的主要性能指標(biāo)有場掃描頻率、分辨率、灰度級和亮度等。顯然，在不同的應(yīng)用場合需要對這3個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜∩�。因此，場掃描頻率、灰度級和亮度通常由控制器決定，而分辨率可以通過控制器陣列的方式得到很大的提高。本文實(shí)現(xiàn)的控制器中，通過控制器陣列的形式，獲得兩路光纖數(shù)據(jù)輸出，實(shí)現(xiàn)大的 控制面積（2048*768），從而實(shí)現(xiàn)顏色細(xì)膩的全彩色超大屏幕的LED顯示。
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。
控制系統(tǒng)可以通過對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過數(shù)據(jù)分配單元，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。
視頻數(shù)據(jù)分配方案
由于控制器是對大幀數(shù)據(jù)（例如1024*768）進(jìn)行控制，因此需要對視頻源提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分配，將不同行列的數(shù)據(jù)正確地送入不同的控制器。
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）、控制像素為1024×768點(diǎn)。因此，需要將前端提供的RGB數(shù)據(jù)分3組發(fā)送到不同的分配器，以FPGA實(shí)現(xiàn)，方案如圖2 所示。
圖2. 視頻數(shù)據(jù)分配方案
數(shù)據(jù)校正子模塊接收前端輸入的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)校正之后存入SDRAM。然后將該場數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)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(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�？偩�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，以保證各個(gè)存儲部分不會出現(xiàn)溢出或讀空的現(xiàn)象。
輸入數(shù)據(jù)逐點(diǎn)校正
FPGA根據(jù)時(shí)序關(guān)系，將輸入數(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。
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SPI存儲器中。系統(tǒng)上電之后，MCU首先將該數(shù)據(jù)傳送到FPGA，F(xiàn)PGA將其存入SDRAM中。此后，即可對前端接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
數(shù)據(jù)發(fā)送
在數(shù)據(jù)分配發(fā)送時(shí)，信號均以LVDS（Low Voltage Differential Signal）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。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I／O配置獲得LVDS的能力。
兩路光纖數(shù)據(jù)輸出，可以保證后端數(shù)據(jù)支持大面積的屏體，從而實(shí)現(xiàn)大的控制面積（兩塊1024*768）。這是通過altera公司的Cyclone III系列FPGA實(shí)現(xiàn)的。
MCU控制
由于本系統(tǒng)采用MCU+FPGA的架構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)真正的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程操作，不僅可以作為一般的控制器，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。
為了使整個(gè)控制系統(tǒng)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(nèi)容。
總之，增加這些輔助控制部分，使得整個(gè)控制系統(tǒng)更智能，再配以我們自行開發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件，就更人性化，易于用戶使用和操作。
綜上所述，該控制系統(tǒng)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(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸，而且可以對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)行遠(yuǎn)程開關(guān)量控制。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（2048*768點(diǎn)），可用于戶外廣播級應(yīng)用。該設(shè)計(jì)通過單點(diǎn)校正，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，除接收來自串口的信號外，還可通過HDMI接口接收數(shù)據(jù)信號。
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