摘要：本文分析了市場上常見的異步全彩LED顯示控制方案，提出了基于京微雅格Soc FPGA的針對門楣廣告應用的優化解決方案。在單主控的情況下實現了高灰度，高刷新的異步全彩LED顯示，方案性價比高。

　　1 LED顯示屏市場概況

　　全彩LED顯示被普遍應用于戶外及室內的大型廣告、舞臺背景等場合（大多是同步顯示），隨著價格的下降，全彩LED顯示已經開始被使用于門楣廣告（異步顯示）。當前門楣廣告一般采用單雙色LED顯示，市場需求大。與單雙LED相比，全彩LED能夠展現更豐富的內容，如真彩圖片，動畫，視頻等，全彩LED顯示將是門楣廣告屏的發展趨勢。

　　圖1：中國LED顯示屏產值（數據來源：GLII）

　　2 市場流行方案的介紹

　　目前市場上比較流行的方案有以下幾種：

　　1） ARM-CortexA8 + FPGA解決方案：

　　圖2：ARM-CortexA8 + FPGA方案框圖

　　特點：功能齊全，其中ARM Cortex-A8可以實現對主流視頻格式的解碼，但是方案成本偏高，對于門楣廣告這種小屏顯示的使用場景來說有些浪費。

　　2） ARM Cortex-M4解決方案：

　　圖3：ARM Cortex-M4方案框圖

　　特點：結構簡單，但是由于沒有使用FPGA，ARM Cortex-M4的實時性及速度無法滿足全彩LED顯示的控制要求，所以只能實現“七彩”顯示，而不能實現真正意義上的全彩顯示。

　　3） FPGA解決方案：

　　圖4：單FPGA方案框圖

　　特點：是同步全彩控制系統的一個衍生產品，實現簡單的錄制，功能相對單一。

　　3 京微雅格SoC FPGA方案

　　京微雅格CME-M5系列 FPGA集成了增強型8051 MCU，兼容標準8051指令集，12倍于標準8051的MIPS，頻率最高可達200MHz，支持高達8MB數據及代碼空間擴展，支持硬件32/16- bit MDU（Multiplication Division Unit），128K Byte SPRAM，可作為8051的代碼或數據存儲器，集成片上調試系統OCDS，支持JTAG在線調試；外設有3個16-bit定時器，1個16-bit看門狗，1個I2C接口，1個SPI接口，2個USART接口，1個RTC實時時鐘，8通道DMA；支持STOP，IDLE電源管理模式。支持基于 MSS（Microcontroller Subsystem）的系統編程、系統多配置、系統在線更新、動態頻率切換等特性。CME-M5內部結構框圖見圖5。

　　圖5：京微雅格CME-M5器件結構框圖

　　在本設計中，增強型 8051實現以太網TCP/IP協議棧，實現對NandFlash / SD卡的訪問，顯示特效處理，并調度FPGA功能模塊實現LED顯示。FPGA則負責LED刷新控制，其功能包含：灰度控制、刷新率控制、亮度控制、伽馬校正等。PC提供人機交互，讓用戶通過上位機軟件編輯“節目”，即需要最終在LED屏上顯示的內容，包含文本，圖片，視頻以及顯示特效，例如百葉窗，流水等；最后上位機軟件把“節目”轉換成特定的數據文件通過以太網傳送給CME-M5，由CME-M5把接收到的數據文件寫入NandFlash/SD卡。系統框圖如下：

　　圖6：基于CME-M5解決方案框圖

　　CME-M5 FPGA功能描述

　　1）伽馬校正

　　根據LED的響應特性，需要對輸入的8位灰度值進行伽馬校正，使之映射到14~16位灰度值，這部分功能是FPGA通過查表方式的實現的。伽馬校正的參數可以通過PC上位機進行修改。

　　2）灰度控制

　　下面以8bit/256級灰度作為例子，闡述LED灰度控制原理。對于RGB三基色LED顯示，256級灰度意味著R、G、B各使用8bit來表示灰度值（2^8=256，即256級灰度）。每顆LED有獨立的R、G、B三個信號供FPGA分別控制。

　　全彩LED驅動芯片通常分為自帶PWM的恒流源以及不帶PWM的恒流源。接下來以不帶PWM的驅動芯片MBI5024為例介紹灰度控制原理。MBI5024的內部結構框圖見圖7。 FPGA向SDI送入每個像素點R/G/B灰度值，OUT0~OUT15連接LED的R/G/B，OE_n控制對應每bit灰度值點亮LED時間的長短。 8bit/256級灰度控制，通常使用19場方式，假設子場的周期為T，那么一個刷新周期的總時間為19T。19場被分為8份，時間分別為 8T，4T，2T，1T，1T，1T，1T，1T；OE_n有效時間分別為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T。

　　以下介紹如何對R進行灰度控制，G，B的灰度控制原理是類似的。8T對應8bit灰度值的最高位R［7］，其刷新的時間長度為8T；4T對應8bit灰度值的次高位R［6］，其刷新的時間長度為4T……1/16T對應最低位R［0］，其刷新的時間長度為1/16T。如圖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分別連接第0顆~第15顆LED的R。使用Ri［j］表示第i顆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信號對R0［7］~R15［7］鎖存，使能OE_n信號，保持時間為8T （即時序圖中的T0周期）；在此過程中，SDI移入R0［6］~R15［6］灰度數據；

　　3. 使能LE信號對R0［6］~R15［6］鎖存，使能OE_n信號，保持時間為4T（即時序圖中的T1周期）；在此過程中，SDI移入并鎖存R0［5］~R15［5］灰度數據；

　　4. ……

　　5. 使能LE信號對R0［3］~R15［3］鎖存，使能OE_n信號，保持時間為1/2T（即時序圖中的T4周期），1/2T后把OE_n信號置為無效；在此過程中，SDI移入并鎖存R0［2］~R15［2］灰度數據；

　　6. ……

　　7. 使能LE信號對R0［0］~R15［0］鎖存，使能OE_n信號，保持時間為1/16T（即時序圖中的T7周期），之后把OE_n信號置為無效；至此，完成一個灰度值顯示的刷新周期；

　　需要說明的是，以上僅以16顆 LED作為例子，實際應用中會級聯多個MBI5024芯片，即上一級MBI5024芯片的SDO連接至下一級MBI5024的SDI，當有N個 MBI5024級聯的，相當于一個N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上面介紹的7個步驟類似。

　　圖7：MBI5024器件原理框圖

　　圖8：8bit/256級灰度控制時序圖

　　在一個灰度刷新周期內（19T），OE總有效時間為：8T + 4T + 2T + 1T + 1/2T + 1/4T + 1/8T + 1/16T = 15.9375T，亮度的利用率為：15.9375T/（19T）*100%=83.88%，也就是亮度損失為1 - 83.88% = 16.12%。

　　對于16bit/65536 級灰度，常用27子場方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n有效時間為 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；亮度利用率為：15.999755859375 T/（27T）*100%=59.26 %，亮度損失為1 - 59.26 % = 40.74%。

　　使用不同數量的子場，亮度的利用率是不同的，例如：16bit/65536級灰度也可以采用42子場方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n有效時間為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，亮度利用率為：31.99951171875 T/（42T） *100%=59.26 % = 76.19%，亮度損失為1 - 76.19%= 23.81%。

　　3）刷新率

　　驅動芯片的數據時鐘頻率、 LED屏的掃描方式（靜態~16掃）以及尋址數固定以后，子場的時間T也就隨之定下來，以16bit/65536級灰度為例，如果采用27子場的方式，刷新率約為：F=1/（ 27*T），最小OE_n脈寬為T /4096；如果采用42子場的方式，刷新率約為：F=1/（ 42*T），最小OE_n脈寬為T /2048。考慮到其他時間開銷，實際的刷新率F會比以上估算值略低。

　　可以看出在子場時間T一定的情況下，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最小脈寬比前者長（對于驅動芯片來說，OE_n的脈寬最小值是有限制的，當脈寬太窄時，驅動芯片將無法識別），所以，具體設計需根據實際情況做權衡。為了提高視覺刷新率（Visual Refresh Rate），可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期內；對動態掃描屏，還可以把實現灰度值的所有子場分割成多份，在刷新每一行時，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切換速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接著刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，從而提高視覺刷新率。通過優化的 PWM編碼，不僅可以提高視覺刷新率，也能夠提高LED亮度利用率。

　　CME-M5 8051功能描述

　　200MHz主頻 8051 MCU是整個系統的主控，負責與PC的通信，實現TCP/IP協議棧，通過以太網接收來自于PC端的節目內容，并以文件方式寫入SD卡進行節目更新，同時，8051也負責節目特效處理； 另外，8051采集溫度傳感器、濕度傳感器信息，顯示在LED屏幕上；采集環境光傳感器，實現亮度自動調節；通過紅外遙控實現節目切換。CME-M5已集成了RTC實時時鐘，無需外擴芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時，分，秒，星期等信息；支持數字時鐘及模擬時鐘顯示。

　　4 結語

　　通過采用FPGA SoC芯片，實現了針對門楣廣告市場的異步全彩LED顯示控制器的設計，由于門楣廣告屏的分辨率一般都不高，CME-M5內嵌的200MHz增強型 8051完全可以勝任作為系統主控。方案支持80K像素點，16bit/65536級灰度，視覺刷新率最高支持6000Hz，支持靜態~16掃屏體類型，支持文字、圖片、動畫及簡單的視頻播放，支持數字時鐘以及模擬時鐘顯示，支持溫度及濕度顯示，亮度自動調節，紅外遙控節目切換。

　　作者：京微雅格市場經理姜承湘