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时间:2018-06-30 21:44:55

基于HDMI技术的智能LED显示屏控制器设计

  HDMI(高清晰度多媒体接口,HighDefinitionMultimedia)是基于DVI技术制定,可看作是DVI技术的强化与延伸,两者可以兼容。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽,满足1080p的分辨率,并支撑所有的HDTV等标准以及DVDAudio等先进的数字音频格式,支撑多声道96kHz或立体声192kHz数码音频传递,而且只用一条HDMI线连接,可以用于免除数码音频接线。与此同时,HDMI接口无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换,可以保证最高质量的影音信号传送。
 
          现在,HDMI作为一种专门用来传输高清信号的接口,版本已经从1.1发展到了1.3,和1.1、1.2版比,有几个新特性和功能:(1)带宽从5Gb/s提高到10Gb/s;(2)色彩从24bit提高到48bit;(3)支撑xvYCC宽色域;(4)支撑DOLBYTRUEHD和DTS-HD;(5)新增唇形同步技术,解决音视频不同步问题;(6)新增迷你接口。现在,HDMI接口作为显示设备与影音设备之间的一个重要的桥梁,已经成为新一代数字影音设备的标准。据统计,在2003年,HDMI消费类电子产品的销售量仅有25万台,而2007年一年所配备的HDMI产品数量就增加至1.5亿台。
 
          但是,目前几乎所有的HDMI接口产品都只局限于数字电视以及DVD系列产品,本文利用最新的HDMI1.3技术设计了一款智能显示屏控制器,将HDMI技术应用到LED显示屏行业,从而将LED显示屏的显示性能和效果提高了一大步。
 
         系统结构及功能概述
 
          根据LED显示屏需具有较高的显示性能和效果,以及方便控制的需求,显示屏控制系统应具有足够的输入、输出接口和远程通信功能。大家基于HDMI1.3技术的LED显示屏控制器的系统结构如图1所示。系统按功能可分为以下几个模块:6路模拟量输入、2路DVI输入、1路VGA输入、RS-232和RS-485通信、光纤数据传输、实时时钟以及状态指示等。
 
  图1.基于HDMI技术的LED显示屏控制器结构

 
 
         主要功能模块的设计
 
          目前,显示屏按数据的传输方式主要有同步显示和脱机显示两类。本文所先容的LED显示屏控制是一套同步显示系统,即用一套嵌入式系统来为LED显示屏提供视频源,既可以降低成本,又具有很高的可行性和灵活性,易于工程施工。
 
         独立视频LED系统
 
          LED显示屏的主要性能指标有场扫描频率、分辨率、灰度级和亮度等。显然,在不同的应用场合需要对这3个性能指标进行适当的取舍。因此,场扫描频率、灰度级和亮度通常由控制器决定,而分辨率可以通过控制器阵列的方式得到很大的提高。本文实现的控制器中,通过控制器阵列的形式,获得两路光纤数据输出,实现大的LED显示屏控制面积(2048*768),从而实现颜色细腻的全彩色超大屏幕的LED显示。
 
          独立视频LED系统完全脱离计算机的控制,本身可以实现通信、视频播放、数据分发、扫描控制等功能。
 
          控制系统可以通过对视频数据进行解码,获得RGB格式的视频流。再通过数据分配单元,将这些数据分别发送到不同的LED显示控制器上,控制器将播放单元提供的数据显示到全彩色大屏幕LED上。
 
         视频数据分配方案
 
          由于控制器是对大帧数据(例如1024*768)进行控制,因此需要对视频源提供的数据进行分配,将不同行列的数据正确地送入不同的控制器。
 
          本系统中的LED控制器灰度级高达3×12位(可显示多达64G种颜色)、控制像素为1024×768点。因此,需要将前端提供的RGB数据分3组发送到不同的分配器,以FPGA实现,方案如图2所示。
 
   
 
  图2.视频数据分配方案
 

 
          数据校正子模块接收前端输入的数据,将这些数据进行逐点校正之后存入SDRAM。然后将该场数据分成8组,同时发送给LED分配器。
 
          为了方便各模块间的接口,有利于不同时钟域的数据同步,系统采用SDRAM作为主存储器。SDRAM具有容量大、带宽高、价格便宜等优点;但是控制比较复杂,每次读写有多个控制和等待周期。因此为了提高效率,通常采用地址递增的猝发读写方式,而不能像SRAM那样随时读取任意地址的数据。
 
          本方案采用完全动态的内存分配机制,即每个模块请求时,如果不是同一场数据,则可以分配到一块新的内存,而一旦该内存的数据不再有效,则释放这块内存。这样,每块内存都有自己的属性。总线调度是本模块的核心部分,必须精确计算总线带宽的占用情况,以保证各个存储部分不会出现溢出或读空的现象。
 
         输入数据逐点校正
 
          FPGA根据时序关系,将输入数据读入,进行下一步的处理。由于在生产过程中LED管的参数不可能完全一致,因此为了获得良好的图像显示效果,必须对LED管进行筛选。
 
          采用逐点校正技术,可逐点调节LED的亮度,将显示屏亮度的一致性提高一个数量等级,从而可以使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面的要求,LED采购的成本也随之大大降低。此外,系统采用的逐点校正技术,可以在线修改校正参数,使得LED屏在投入运营之后也可以修改校正参数,补偿由于LED管老化对显示效果的影响,提高LED屏的使用寿命。因此,逐点校正技术使LED模块作为室内外全彩色显示屏的基本元件成为理想方案。
 
          逐点校正参数存于SPI存储器中。系统上电之后,MCU首先将该数据传送到FPGA,FPGA将其存入SDRAM中。此后,即可对前端接口输入的数据进行校正。
 
         数据发送
 
          在数据分配发送时,信号均以LVDS(LowVoltageDifferentialSignal)的形式传输。LVDS采用差分方式传送数据,有比单端传输更强的共模噪声抑制能力,可实现长距离、高速率和低功耗的传输。大家采用的FPGA是altera企业的CycloneIII系列。该系列FPGA可以方便地通过I/O配置获得LVDS的能力。
 
          两路光纤数据输出,可以保证后端数据支撑大面积的屏体,从而实现大的LED显示屏控制面积(两块1024*768)。这是通过altera企业的CycloneIII系列FPGA实现的。
 
         MCU控制
 
          由于本系统采用MCU+FPGA的架构,因此实现真正的网络远程操作,不仅可以作为一般的LED显示屏控制器,更可以将各显示节点组成大型的户外广告传媒网络。而FPGA是一种非常灵活的可编程逻辑器件,可以像App一样编程来配置,从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发,提高了系统效率。
 
          为了使整个LED显示屏控制系统更具人性化,控制器包含了串口(RS-232、RS-485)通信、红外控制、SPI存储器以及实时时钟等一些辅助控制部分。此外,还增加了一个LCD显示屏,用以同步显示LED屏显示内容。
 
          总之,增加这些辅助控制部分,使得整个控制系统更智能,再配以大家自行开发设计的系统App,就更人性化,易于用户使用和操作。
 
          综上所述,该LED显示屏控制系统提供6路模拟量输入及2路DVI输入接口,支撑RS-232和RS-485接口,可以实现实时数据采集和传输,而且可以对现场设备实行远程开关量控制。实验测试结果表明,该系统亮度合适,使用分辨率细腻(64G色),场扫描频率高(约400Hz),像素高(2048*768点),可用于户外广播级应用。该设计通过单点校正,从而可以使采购厂商放宽LED在亮度和颜色方面的要求,LED采购的成本也随之降低;从8位增至12位使图像的颜色等级大大增加。此外,除接收来自串口的信号外,还可通过HDMI接口接收数据信号。
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