基于HDMI技術的智能LED顯示屏控制器設計

　HDMI（高清晰度多媒體接口，High Definition Multimedia）是基于DVI技術制定，可看作是DVI技術的強化與延伸，兩者可以兼容。HDMI接口可以提供高達5Gbps的數據傳輸帶寬，滿足 1080p的分辨率，并支持所有的HDTV等標準以及DVD Audio等先進的數字音頻格式，支持多聲道96kHz或立體聲192kHz數碼音頻傳遞，而且只用一條HDMI線連接，可以用于免除數碼音頻接線。與此同時，HDMI接口無需在信號傳送前進行數/模或者模/數轉換，可以保證最高質量的影音信號傳送。

　　現在，HDMI 作為一種專門用來傳輸高清信號的接口，版本已經從1.1發展到了1.3，和1.1、1.2版比，有幾個新特性和功能：（1）帶寬從5Gb/s提高到 10Gb/s；（2）色彩從24bit提高到48bit；（3）支持xvYCC寬色域；（4）支持DOLBY TRUE HD和DTS-HD；（5）新增唇形同步技術，解決音視頻不同步問題；（6）新增迷你接口。現在，HDMI接口作為顯示設備與影音設備之間的一個重要的橋梁，已經成為新一代數字影音設備的標準。據統計，在2003年，HDMI消費類電子產品的銷售量僅有25萬臺，而2007年一年所配備的HDMI產品數量就增加至1.5億臺。

　　但是，目前幾乎所有的HDMI接口產品都只局限于數字電視以及DVD系列產品，本文利用最新的HDMI 1.3技術設計了一款智能顯示屏控制器，將HDMI技術應用到LED顯示屏行業，從而將LED顯示屏的顯示性能和效果提高了一大步。

　　系統結構及功能概述

　　根據LED顯示屏需具有較高的顯示性能和效果，以及方便控制的需求，顯示屏控制系統應具有足夠的輸入、輸出接口和遠程通信功能。我們基于HDMI 1.3技術的LED顯示屏控制器的系統結構如圖1所示。系統按功能可分為以下幾個模塊：6路模擬量輸入、2路DVI輸入、1路VGA輸入、RS-232和 RS-485通信、光纖數據傳輸、實時時鐘以及狀態指示等。

圖1. 基于HDMI技術的LED顯示屏控制器結構

　　主要功能模塊的設計

　　目前，顯示屏按數據的傳輸方式主要有同步顯示和脫機顯示兩類。本文所介紹的LED顯示屏控制是一套同步顯示系統，即用一套嵌入式系統來為LED顯示屏提供視頻源，既可以降低成本，又具有很高的可行性和靈活性，易于工程施工。

　　獨立視頻LED系統

　　LED 顯示屏的主要性能指標有場掃描頻率、分辨率、灰度級和亮度等。顯然，在不同的應用場合需要對這3個性能指標進行適當的取舍。因此，場掃描頻率、灰度級和亮度通常由控制器決定，而分辨率可以通過控制器陣列的方式得到很大的提高。本文實現的控制器中，通過控制器陣列的形式，獲得兩路光纖數據輸出，實現大的 LED顯示屏控制面積（2048*768），從而實現顏色細膩的全彩色超大屏幕的LED顯示。

　　獨立視頻LED系統完全脫離計算機的控制，本身可以實現通信、視頻播放、數據分發、掃描控制等功能。

　　控制系統可以通過對視頻數據進行解碼，獲得RGB格式的視頻流。再通過數據分配單元，將這些數據分別發送到不同的LED顯示控制器上，控制器將播放單元提供的數據顯示到全彩色大屏幕LED上。

　　視頻數據分配方案

　　由于控制器是對大幀數據（例如1024*768）進行控制，因此需要對視頻源提供的數據進行分配，將不同行列的數據正確地送入不同的控制器。

　　本系統中的LED控制器灰度級高達3×12位（可顯示多達64G種顏色）、控制像素為1024×768點。因此，需要將前端提供的RGB數據分3組發送到不同的分配器，以FPGA實現，方案如圖2 所示。

圖2. 視頻數據分配方案

　　數據校正子模塊接收前端輸入的數據，將這些數據進行逐點校正之后存入SDRAM。然后將該場數據分成8組，同時發送給LED分配器。

　　為了方便各模塊間的接口，有利于不同時鐘域的數據同步，系統采用SDRAM作為主存儲器。SDRAM具有容量大、帶寬高、價格便宜等優點；但是控制比較復雜，每次讀寫有多個控制和等待周期。因此為了提高效率，通常采用地址遞增的猝發讀寫方式，而不能像SRAM那樣隨時讀取任意地址的數據。

　　本方案采用完全動態的內存分配機制，即每個模塊請求時，如果不是同一場數據，則可以分配到一塊新的內存，而一旦該內存的數據不再有效，則釋放這塊內存。這樣，每塊內存都有自己的屬性。總線調度是本模塊的核心部分，必須精確計算總線帶寬的占用情況，以保證各個存儲部分不會出現溢出或讀空的現象。

?　　輸入數據逐點校正

　　FPGA根據時序關系，將輸入數據讀入，進行下一步的處理。由于在生產過程中LED管的參數不可能完全一致，因此為了獲得良好的圖像顯示效果，必須對LED管進行篩選。

　　采用逐點校正技術，可逐點調節LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高一個數量等級，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED 采購的成本也隨之大大降低。此外，系統采用的逐點校正技術，可以在線修改校正參數，使得LED屏在投入運營之后也可以修改校正參數，補償由于LED管老化對顯示效果的影響，提高LED屏的使用壽命。因此，逐點校正技術使LED模塊作為室內外全彩色顯示屏的基本元件成為理想方案。

　　逐點校正參數存于SPI存儲器中。系統上電之后，MCU首先將該數據傳送到FPGA，FPGA將其存入SDRAM中。此后，即可對前端接口輸入的數據進行校正。

　　數據發送

　　在數據分配發送時，信號均以LVDS（Low Voltage Differential Signal）的形式傳輸。LVDS采用差分方式傳送數據，有比單端傳輸更強的共模噪聲抑制能力，可實現長距離、高速率和低功耗的傳輸。我們采用的 FPGA是altera公司的Cyclone III系列。該系列FPGA可以方便地通過I／O配置獲得LVDS的能力。

　　兩路光纖數據輸出，可以保證后端數據支持大面積的屏體，從而實現大的LED顯示屏控制面積（兩塊1024*768）。這是通過altera公司的Cyclone III系列FPGA實現的。

　　MCU控制

　　由于本系統采用MCU+FPGA的架構，因此實現真正的網絡遠程操作，不僅可以作為一般的LED顯示屏控制器，更可以將各顯示節點組成大型的戶外廣告傳媒網絡。而FPGA是一種非常靈活的可編程邏輯器件，可以像軟件一樣編程來配置，從而可以實時地進行靈活而方便的更改和開發，提高了系統效率。

　　為了使整個LED顯示屏控制系統更具人性化，控制器包含了串口（RS-232、RS-485）通信、紅外控制、SPI存儲器以及實時時鐘等一些輔助控制部分。此外，還增加了一個LCD顯示屏，用以同步顯示LED屏顯示內容。

　　總之，增加這些輔助控制部分，使得整個控制系統更智能，再配以我們自行開發設計的系統軟件，就更人性化，易于用戶使用和操作。

　　綜上所述，該LED顯示屏控制系統提供6路模擬量輸入及2路DVI輸入接口，支持RS-232 和RS-485接口，可以實現實時數據采集和傳輸，而且可以對現場設備實行遠程開關量控制。實驗測試結果表明，該系統亮度合適，使用分辨率細膩（64G 色），場掃描頻率高（約400 Hz），像素高（2048*768點），可用于戶外廣播級應用。該設計通過單點校正，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購的成本也隨之降低；從8位增至12位使圖像的顏色等級大大增加。此外，除接收來自串口的信號外，還可通過HDMI接口接收數據信號。