基于SoC FPGA芯片的异步全彩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。

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。

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. 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;

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。

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。