京微雅格：基于SoC FPGA的异步全彩LED显示设计
品慧电子讯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。
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L E D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。
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：
①ARM-Cortex-A8+FPGA解决方案
该方案的特点：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。方案框图如图1所示。
图1：ARM-Cortex-A8+FPGA方案框图
②ARM Cortex-M4解决方案
该方案的特点： 结构简单，但是由于没有使用FPGA ，ARMCortex-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。方案框图如图2所示。
图2：ARM Cortex-M4方案框图
③FPGA解决方案
该方案是同步全彩控制系统的一个衍生产品，可以实现简单的录制，功能相对单一。方案框图如图3所示。
图3：单FPGA方案框图
京微雅格SoC FPGA方案
京微雅格CME-M5系列FPGA集成了增强型8051MCU，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），128KB 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16bit定时器，1个16bit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4。
图4 ：京微雅格CME-M5器件结构框图123下一页>
- 第一页：京微雅格SoC FPGA方案
- 第二页：CME-M5 FPGA功能描述
- 第三页：CME-M5 8051功能描述
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。系统框图如图5所示。
图5：基于CME-M5解决方案框图
CME-M5 FPGA功能描述
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。
灰度控制
下面以8位/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8位来表示灰度值(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6。
图6：MBI5024器件原理框图
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，OEn控制对应每位灰度值点亮LED时间的长短。8位/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；OEn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8位灰度值的最高位R[7]，其刷新的时间长度为8T；4T对应8位灰度值的次高位R[6]，刷新的时间长度为4T…1/16T对应最低位R[0]，刷新的时间长度为1/16T。如图7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颗至第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],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信号对R0[7]～R15[7]锁存，使能OEn信号，保持时间为8T（即时序图中的T0周期）；在此过程中，SDI移入R0[6]～R15[6]灰度数据；
3. 使能LE信号对R0[6]～R15[6]锁存，使能OEn信号，保持时间为4T（即时序图中的T1周期）；在此过程中，SDI移入并锁存R0[5]～R15[5]灰度数据；
4. ……
5. 使能LE信号对R0[3]～R15[3]锁存，使能OEn信号，保持时间为1/2T （ 即时序图中的T4 周期） ，1/2T后把OE_n信号置为无效；在此过程中，SDI移入并锁存R0[2]～R15[2]灰度数据；
6. ……
7. 使能LE信号对R0[0]～R15[0]锁存，使能OEn信号，保持时间为1/16T（即时序图中的T7周期），之后把OEn信号置为无效；至此，完成一个灰度值显示的刷新周期。
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- 第三页：CME-M5 8051功能描述
需要说明的是，以上仅以16颗LED作为例子，实际应用中会级联多个MBI5024芯片，即上一级MBI5024芯片的SDO连接至下一级MBI5024的SDI，当有N个MBI5024级联的，相当于一个N*16位的移位寄存器，最多可以连接N*16颗LED的R/G/B。操作流程与上面介绍的7个步骤类似。
在一个灰度刷新周期内（19T），OE总有效时间为：8T+4T+2T+1T+1/2T+1/4T+1/8T+1/16T=15.9375T，亮度的利用率为：15.9375T/(19T)*100%=83.88%，也就是亮度损失为1-83.88%=16.12%。
图7：8位/256级灰度控制时序图
对于16位/65536级灰度，常用27 子场方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OE_n 有效时间为8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/1 6T，1/32T，1/6 4T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T，1/4096T；亮度利用率为：15.999755859375T/(27T)*100%=59.26%，亮度损失为1- 59.26%=40.74%。
使用不同数量的子场，亮度的利用率是不同的，例如：16位/65536级灰度也可以采用42子场方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T；OEn有效时间为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，亮度利用率为：31.99951171875T/(42T)*100%=59.26%=76.19%，亮度损失为1-76.19%= 23.81%。
刷新率驱动芯片的数据时钟频率、LED屏的扫描方式（静态～16扫）以及寻址数固定以后，子场的时间T也就随之定下来，以16位/65536级灰度为例，如果采用27子场的方式，刷新率约为：F=1/(27*T)，最小OE_n脉宽为T/4096；如果采用42子场的方式，刷新率约为：F=1/(42*T)，最小OE_n脉宽为T/2048。考虑到其他时间开销，实际的刷新率F会比以上估算值略低。
可以看出在子场时间T一定的情况下，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最小脉宽比前者长（对于驱动芯片来说，OE_n的脉宽最小值是有限制的，当脉宽太窄时，驱动芯片将无法识别），所以，具体设计需根据实际情况做权衡。为了提高视觉刷新率（Visual Refresh Rate），可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期内；对动态扫描屏，还可以把实现灰度值的所有子场分割成多份，在刷新每一行时，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切换速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接着刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，从而提高视觉刷新率。通过优化的PWM编码，不仅可以提高视觉刷新率，也能够提高LED亮度利用率。
CME-M5 8051功能描述
200MHz主频8051MCU是整个系统的主控，负责与PC的通信，实现TCP/IP协议栈，通过以太网接收来自于PC端的节目内容，并以文件方式写入SD卡进行节目更新，同时，8051也负责节目特效处理。
另外，8051采集温度传感器、湿度传感器信息，显示在LED屏幕上；采集环境光传感器，实现亮度自动调节；通过红外遥控实现节目切换。CME-M5已集成了RTC实时时钟，无须外扩芯片就能够方便地在全彩LED屏上显示年，月，日，时，分，秒，星期等信息；支持数字时钟及模拟时钟显示。
