基于SoC FPGA芯片的异步全彩LED显示控制器解决方案

　　摘要：本文分析了市场上常见的异步全彩LED显示控制方案，提出了基于京微雅格Soc FPGA的针对门楣广告应用的优化解决方案。在单主控的情况下实现了高灰度，高刷新的异步全彩LED显示，方案性价比高。

　　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］，