异步全彩LED显示控制器解决方案

　　1 LED显示屏市场概况

　　全彩LED显示被普遍应用于户外及室内的大型广告、舞台背景等场合（大多是同步显示），随着价格的下降，全彩LED显示已经开始被使用于门楣广告（异步显示）。当前门楣广告一般采用单双色LED显示，市场需求大。与单双LED相比，全彩LED能够展现更丰富的内容，如真彩图片，动画，视频等，全彩LED显示将是门楣广告屏的发展趋势。

　　图1：中国LED显示屏产值（数据来源：GLII）

　　2 市场流行方案的介绍

　　目前市场上比较流行的方案有以下几种：

　　1） ARM-CortexA8 + FPGA解决方案：

　　图2：ARM-CortexA8 + FPGA方案框图

　　特点：功能齐全，其中ARM Cortex-A8可以实现对主流视频格式的解码，但是方案成本偏高，对于门楣广告这种小屏显示的使用场景来说有些浪费。

　　2） ARM Cortex-M4解决方案：

　　图3：ARM Cortex-M4方案框图

　　特点：结构简单，但是由于没有使用FPGA，ARM Cortex-M4的实时性及速度无法满足全彩LED显示的控制要求，所以只能实现“七彩”显示，而不能实现真正意义上的全彩显示。[page]

　　3） FPGA解决方案：

　　图4：单FPGA方案框图

　　特点：是同步全彩控制系统的一个衍生产品，实现简单的录制，功能相对单一。

　　3 京微雅格SoC FPGA方案

　　京微雅格CME-M5系列 FPGA集成了增强型8051 MCU，兼容标准8051指令集，12倍于标准8051的MIPS，频率最高可达200MHz，支持高达8MB数据及代码空间扩展，支持硬件32/16- bit MDU（Multiplication Division Unit），128K Byte SPRAM，可作为8051的代码或数据存储器，集成片上调试系统OCDS，支持JTAG在线调试；外设有3个16-bit定时器，1个16-bit看门狗，1个I2C接口，1个SPI接口，2个USART接口，1个RTC实时时钟，8通道DMA；支持STOP，IDLE电源管理模式。支持基于 MSS（Microcontroller Subsystem）的系统编程、系统多配置、系统在线更新、动态频率切换等特性。CME-M5内部结构框图见图5。

　　图5：京微雅格CME-M5器件结构框图

　　在本设计中，增强型 8051实现以太网TCP/IP协议栈，实现对NandFlash / SD卡的访问，显示特效处理，并调度FPGA功能模块实现LED显示。FPGA则负责LED刷新控制，其功能包含：灰度控制、刷新率控制、亮度控制、伽马校正等。PC提供人机交互，让用户通过上位机软件编辑“节目”，即需要最终在LED屏上显示的内容，包含文本，图片，视频以及显示特效，例如百叶窗，流水等；最后上位机软件把“节目”转换成特定的数据文件通过以太网传送给CME-M5，由CME-M5把接收到的数据文件写入NandFlash/SD卡。系统框图如下：

　　图6：基于CME-M5解决方案框图

　　CME-M5 FPGA功能描述

　　1）伽马校正

　　根据LED的响应特性，需要对输入的8位灰度值进行伽马校正，使之映射到14~16位灰度值，这部分功能是FPGA通过查表方式的实现的。伽马校正的参数可以通过PC上位机进行修改。

　　2）灰度控制

　　下面以8bit/256级灰度作为例子，阐述LED灰度控制原理。对于RGB三基色LED显示，256级灰度意味着R、G、B各使用8bit来表示灰度值（2^8=256，即256级灰度）。每颗LED有独立的R、G、B三个信号供FPGA分别控制。[page]

　　全彩LED驱动芯片通常分为自带PWM的恒流源以及不带PWM的恒流源。接下来以不带PWM的驱动芯片MBI5024为例介绍灰度控制原理。MBI5024的内部结构框图见图7。 FPGA向SDI送入每个像素点R/G/B灰度值，OUT0~OUT15连接LED的R/G/B，OE_n控制对应每bit灰度值点亮LED时间的长短。 8bit/256级灰度控制，通常使用19场方式，假设子场的周期为T，那么一个刷新周期的总时间为19T。19场被分为8份，时间分别为 8T，4T，2T，1T，1T，1T，1T，1T；OE_n有效时间分别为8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T。

　　以下介绍如何对R进行灰度控制，G，B的灰度控制原理是类似的。8T对应8bit灰度值的最高位R［7］，其刷新的时间长度为8T；4T对应8bit灰度值的次高位R［6］，其刷新的时间长度为4T……1/16T对应最低位R［0］，其刷新的时间长度为1/16T。如图8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分别连接第0颗~第15颗LED的R。使用Ri［j］表示第i颗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信号对R0［7］~R15［7］锁存，使能OE_n信号，保持时间为8T （即时序图中的T0周期）；在此过程中，SDI移入R0［6］~R15［6］灰度数据；

　　3. 使能LE信号对R0［6］~R15［6］锁存，使能OE_n信号，保持时间为4T（即时序图中的T1周期）；在此过程中，SDI移入并锁存R0［5］~R15［5］灰度数据；

　　4. ……

　　5. 使能LE信号对R0［3］~R15［3］锁存，使能OE_n信号，保持时间为1/2T（即时序图中的T4周期），1/2T后把OE_n信号置为无效；在此过程中，SDI移入并锁存R0［2］~R15［2］灰度数据；

　　6. ……

　　7. 使能LE信号对R0［0］~R15［0］锁存，使能OE_n信号，保持时间为1/16T（即时序图中的T7周期），之后把OE_n信号置为无效；至此，完成一个灰度值显示的刷新周期；

　　需要说明的是，以上仅以16颗 LED作为例子，实际应用中会级联多个MBI5024芯片，即上一级MBI5024芯片的SDO连接至下一级MBI5024的SDI，当有N个 MBI5024级联的，相当于一个N*16位的移位寄存器，最多可以连接N*16颗LED的R/G/B。操作流程与上面介绍的7个步骤类似。

　　图7：MBI5024器件原理框图

　　图8：8bit/256级灰度控制时序图

　　在一个灰度刷新周期内（19T），OE总有效时间为：8T + 4T + 2T + 1T + 1/2T + 1/4T + 1/8T + 1/16T = 15.9375T，亮度的利用率为：15.9375T/（19T）*100%=83.88%，也就是亮度损失为1 - 83.88% = 16.12%。

　　对于16bit/65536 级灰度，常用27子场方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n有效时间为 8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T，1/32T，1/64T，1/128T，1/256T，1/512T，1 /1024T，1/2048T，1/4096T；亮度利用率为：15.999755859375 T/（27T）*100%=59.26 %，亮度损失为1 - 59.26 % = 40.74%。

　　使用不同数量的子场，亮度的利用率是不同的，例如：16bit/65536级灰度也可以采用42子场方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n有效时间为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，亮度利用率为：31.99951171875 T/（42T） *100%=59.26 % = 76.19%，亮度损失为1 - 76.19%= 23.81%。

　　3）刷新率

　　驱动芯片的数据时钟频率、 LED屏的扫描方式（静态~16扫）以及寻址数固定以后，子场的时间T也就随之定下来，以16bit/65536级灰度为例，如果采用27子场的方式，刷新率约为：F=1/（ 27*T），最小OE_n脉宽为T /4096；如果采用42子场的方式，刷新率约为：F=1/（ 42*T），最小OE_n脉宽为T /2048。考虑到其他时间开销，实际的刷新率F会比以上估算值略低。

　　可以看出在子场时间T一定的情况下，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最小脉宽比前者长（对于驱动芯片来说，OE_n的脉宽最小值是有限制的，当脉宽太窄时，驱动芯片将无法识别），所以，具体设计需根据实际情况做权衡。为了提高视觉刷新率（Visual Refresh Rate），可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期内；对动态扫描屏，还可以把实现灰度值的所有子场分割成多份，在刷新每一行时，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切换速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接着刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，从而提高视觉刷新率。通过优化的 PWM编码，不仅可以提高视觉刷新率，也能够提高LED亮度利用率。

　　CME-M5 8051功能描述

　　200MHz主频 8051 MCU是整个系统的主控，负责与PC的通信，实现TCP/IP协议栈，通过以太网接收来自于PC端的节目内容，并以文件方式写入SD卡进行节目更新，同时，8051也负责节目特效处理； 另外，8051采集温度传感器、湿度传感器信息，显示在LED屏幕上；采集环境光传感器，实现亮度自动调节；通过红外遥控实现节目切换。CME-M5已集成了RTC实时时钟，无需外扩芯片就能够方便地在全彩LED屏上显示年，月，日，时，分，秒，星期等信息；支持数字时钟及模拟时钟显示。

　　4 结语

　　通过采用FPGA SoC芯片，实现了针对门楣广告市场的异步全彩LED显示控制器的设计，由于门楣广告屏的分辨率一般都不高，CME-M5内嵌的200MHz增强型 8051完全可以胜任作为系统主控。方案支持80K像素点，16bit/65536级灰度，视觉刷新率最高支持6000Hz，支持静态~16扫屏体类型，支持文字、图片、动画及简单的视频播放，支持数字时钟以及模拟时钟显示，支持温度及湿度显示，亮度自动调节，红外遥控节目切换。