假如一只24颗rgb三合一芯片的led大功率洗墙灯要做成每颗灯为一个像素点的流水追逐效果，要用什么做驱动？

目前显示屏按数据的传输方式主要有两类：一类是采用与计算机显示同一内容的实时视频屏；另一类为通过u**、以太网等通信手段把显示内容发给显示屏的独立视频源显示屏，若采用无线通信方式，还可以随时更新显示内容，灵活性高。此外，用一套嵌入式系统取代计算机来提供视频源，既可以降低成本，又具有很高的可行性和灵活性，易于工程施工。因此，独立视频源led显示系统的需求越来越大。本系统采用arm+fpga的架构，充分利用了arm的超强处理能力和丰富的接口，实现真正的网络远程操作，因此不仅可以作为一般的****，更可以将各显示节点组成大型的户外广告传媒网络。而fpga是一种非常灵活的可编程逻辑器件，可以像软件一样编程来配置，从而可以实时地进行灵活而方便的更改和开发，提高了系统效率。 1 独立视频led系统 **的主要性能指标有场扫描频率、分辨率、灰度级和亮度等。分辨率指的是**能控制的led管的数量，灰度级是对颜色的分辨率，而亮度高则要求每个灰度级的显示时间长。显然，这3个指标都会使得场扫描频率大幅度降低，因此需要在不同的场合对这些指标进行适当的 取舍。通常灰度级、亮度和场扫描频率由单个**决定，而分辨率可以通过**阵列的方式得到很大的提高。这样，每个**的灰度和亮度很好，场扫描频率也适当，再通过**阵列的形式，实现大的控制面积，即可实现颜色细腻的全彩色超大屏幕的led显示**。 独立视频led系统完全脱离计算机的控制，本身可以实现通信、视频播放、数据分发、扫描控制等功能。为了实现大屏幕、全彩色、高场频，本系统采用**阵列模式，如图1所示。 系统可以通过网络接口(以太网接口)由网络服务器端更新本地的数据，视频播放部分则通过对该数据进行解码，获得rgb格式的视频流。再通过数据分发单元，将这些数据分别发送到不同的led显示**上，**将播放单元提供的数据显示到全彩色大屏幕led上。 2 通信接口和视频播放单元 本系统的通信接口和视频播放部分由arm+uclinux实现。arm(advanced r**c machine)是英国arm公司设计开发的通用32位r**c微处理器体系结构，设计目标是实现微型化、低功耗、高性能的微处理器。linux作为一种稳定高效的开放源码式操作系统，在各个领域都得到了广泛的应用，而uclinux则是专门针对微控制领域而设计的linux系统，具有可裁减、内核小、完善的网络接口协议和接口、优秀的文件系统以及丰富的开源资源等优点，正被越来越多的嵌入式系统采纳。系统中使用intel xscale系列的pxa255芯片，与arm v5te指令集兼容，沿用了arm的内存管理、中断处理等机制，并在此基础上做了一些扩展，如dma**、lcd**等。由于arm9的处理能力有限，目前只用其播放320×240像素的视频。 系统视频播放的数据来自于系统中的sd存储卡(secure digital memory card)。更新sd卡的数据有两种方式：一种是用计算机更新sd卡的数据；另一种是通过网络接收服务器的数据，直接由arm更新sd卡。此外，播放器也可以直接播放网络传送的mpeg-4格式数据。由于xscale未提供物理层接口，若想实现网络功能需外接一片物理层芯片。本系统选用smsc公司的高性能100m以太网**lan9118。 3 视频数据分发 由于**采用阵列模式，因此需要对视频源提供的数据进行分发，将不同行列的数据正确地送入不同的**。 3.1 数据分发单元方案 本系统中的led**灰度级高达3×12位(可显示多达64g种颜色)、控制区域为128×128点。系统播放单元提供的数据为320×240像素，因此需要分解成6个led**来控制(见图1)。因此，需要将pxa255提供的rgb数据分3组发送到这6块**，以fpga实现，方案如图2所示。 lcd接口子模块接收pxa255 lcd接口的数据和控制信号，将这些输入的数据进行逐点校正之后存入sdram。然后将该场数据分成3组，每组128行(最后一组只有64行，为了后面控制板的一致性，此处由总线调度器补零)，同时发送，之后由led显示**处理。3.2 存储器分配和总线调度 为了方便各模块间的接口，有利于不同时钟域的数据同步，系统的存储器采用两级存储模式，即sdram作为主存储器，而各模块也有相应fifo作为cache。sdram具有容量大、带宽高、价格便宜等优点；但是控制比较复杂，每次读写有多个控制和等待周期。因此为了提高效率，通常采用地址递增的猝发读写方式，而不能像sram那样随时读取任意地址的数据。 本方案采用完全动态的内存分配机制，即每个模块请求时，如果不是同一场数据，则可以分配到一块新的内存，而一旦该内存的数据不再有效，则释放这块内存。这样，每块内存都有自己的属性，标志是使用中的内存，还是空闲内存，以及当前内存中的数据是否在等待被使用的队列中，因此内存需要分成3块。其中一块存储逐点校正参数，一块存储当前场数据，另一块存储上一场数据(即正在发送的数据)。这就要求在一个场同步周期内需要将数据发送完毕，而这一要求是完全可以达到的。 总线调度是本模块的核心部分，必须精确计算总线带宽的占用情况，确定各部分fifo的深度，以保证各个fifo不会出现溢出或读空的现象。 总线调度器需要调度3块存储器，还需要为每一个模块维护一个偏移地址的首地址，以及一个偏移地址计数寄存器。为了便于计算偏移地址，用sdram物理上的两行存储一行的数据，而将多余部分空余。 总线调度器的仲裁算法为：逐点校正参数与校正后数据写入sdram的优先级一样，采用先来先得的方式占用总线，分别由各自fifo的指针来触发总线占用。一场数据写入sdram完毕之后，开始发送。需要依次读出第n、n+128、n+256行的数据给数据发送fifo 0、1、2，等待数据发送单元启动发送。 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**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**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**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** 全彩色led显示**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**上显示。**直接决定了显示屏的显示效果，也决定了**性能的优劣。**的结构如图3所示。 **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：控制输出模块和写入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**处理。**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**。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**采用逐位显示的方法，输入的数据与输出到**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**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。 20210311