基于ARM和FPGA的全彩独立视频LED系统设计

3.3 LCD接口和逐点校正
　　PXA255 的LCD接口配置为smart panel形式，具体时序关系可参考PXA255的手册。FPGA根据这些时序关系，将数据读入，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。这也是LED屏价格昂贵的一个重要原因。
　　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SD卡中，在系统上电之后，ARM首先将该数据通过LCD接口（此时配置为GPIO）传送到FPGA， FPGA将其存入SDRAM 中。此后，即可对LCD接口输入的数据进行校正。
　　3.4 数据发送
　　在数据发送时，每行数据作为1帧，加入特定的帧头之后开始发送。为了减少总线数量，采用串行总线形式，每组信号共有4路，分别是源同步时钟和RGB三基色的串行数据。信号均以LVDS（Low Voltage Differential Signal，低电压差分信号）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。Altera公司的Cyclone II系列FPGA可以方便地通过I/O配置获得LVDS的能力。
　　发送帧头由4字节的同步头+数据当前行号+ID号组成。由于图像的连续像素值的相关性比较高，因此使用伪随机码作为同步头，其同步性能比较可靠。当前行号用于控制器判断是否出现丢帧，并根据当前的行号决定当前数据的存储地址。由于每一组数据实际上由两个控制器分别处理（见图1），所以需要判断标志来截取不同的数据部分。ID号即是不同控制器截取某行中不同列数的标准，数据在发送时ID为零。

　　4 全彩色LED显示控制器

　　全彩色LED显示控制器负责接收、转换和处理串入的RGB三基色信号，以一定的规律和方式将信号传送到LED显示屏上显示。控制器直接决定了显示屏的显示效果，也决定了LED显示屏性能的优劣。控制器的结构如图3所示。

　　

　　图3 显示控制器结构框图

　　控制器的架构与数据分发类似，也采用二级存储模式，主要有数据接收、Gamma校正和交织、扫描控制输出以及总线调度和SDRAM控制四部分。
　　4.1 存储器分配和总线调度
　　由于数据输入场频与LED扫描场频通常不能成整数倍关系，可能出现输入一场数据结束，该场数据的处理结果（Gamma校正和交织后）需要写入SDRAM，而此时扫描一场没有结束，即正在读的那个区域不能覆盖，而上一场的数据还没有显示也不能覆盖，因此交织地写入（即扫描的读出）需要开辟三块分区。
　　总线仲裁算法为：控制输出模块和写人模块采用先来先得的算法，而校正和交织过程的读写，则优先级最低，可以在前面二者申请时被挂起，只有当前二者不再需要总线时，才可以分配到总线的使用权。
　　4.2 数据接收
　　数据接收单元除了需要同步判决、串并转换之外，还要确定一行中哪些数据需要本控制器处理。控制器截取每行中第128×ID-128×（ID+1）-1列的数据，同时将ID号加1，其他数据原样输出，送给下一级控制器。这样的控制方法比常用的拨码开关法更加灵活可靠。
　　4.3 Gamma校正和交织
　　Gamma校正可以使LED显示效果更接近于人眼的生理特性，而且由于PXA255输出的是8位数据，系统需要将其校正为12位，大大提高了显示的对比度。由于LED显示控制器采用逐位显示的方法，输入的数据与输出到LED显示屏上的数据组织形式不一样：前者按像素点排列，而后者则按像素数值的不同位数组织。
　　4.4 控制输出
　　12位数据显示的时间分别为（64，32，16，8，4，2，1，1/2，1/4，1/8，1/16，1/32） * 128 * Tsclk，其中Tsclk为串行移位时钟。交织之后，不同权重的数据显示信号显示有效时间不同，即可达到显示的效果。
　　总线调度器将交织后的数据写入本模块的FIFO。由模块内部生成读取该FIFO的控制信号，并对其进行计数。模块内需要对移位个数及权重进行计数，以决定发出锁存信号及显示信号的有效时间。

　　5 结论

　　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400 Hz），像素高（320×240点），可用于户外广播级应用。该设计通过逐点调节亮度，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，特别在低亮度区可使图像完美再现，而Gamma校正则使LED显示屏所进行的亮度变换更符合人眼的生理特点。此外，除接收来自ARM的信号外，还可通过HDMI接口接收来自机顶盒的数据信号，有广阔的市场应用前景。