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基于SoCFPGA芯片的异步全彩LED显示局限器办理计划

来源:波音国际日期:2020/04/19 浏览:

  波音国际网址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。

  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。

  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。

  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:

  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。

  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。

  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:

  5. 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。

  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。

  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。

  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显示控制器的设计方案,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。

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