基于HDMI技术的智能LED显示屏控制器设计

HDMI(高清晰度多媒体接口，High Definition Multimedia)是基于DVI技术制定，可看作是DVI技术的强化与延伸，两者可以兼容。HDMI接口可以提供高达5Gbps的数据传输带宽，满足 1080p的分辨率，并支持所有的HDTV等标准以及DVD Audio等先进的数字音频格式，支持多声道96kHz或立体声192kHz数码音频传递，而且只用一条HDMI线连接，可以用于免除数码音频接线。与此同时，HDMI接口无需在信号传送前进行数/模或者模/数转换，可以保证最高质量的影音信号传送。

现在，HDMI 作为一种专门用来传输高清信号的接口，版本已经从1.1发展到了1.3，和1.1、1.2版比，有几个新特性和功能：(1)带宽从5Gb/s提高到 10Gb/s;(2)色彩从24bit提高到48bit;(3)支持xvYCC宽色域;(4)支持DOLBY TRUE HD和DTS-HD;(5)新增唇形同步技术，解决音视频不同步问题;(6)新增迷你接口。现在，HDMI接口作为显示设备与影音设备之间的一个重要的桥梁，已经成为新一代数字影音设备的标准。据统计，在2003年，HDMI消费类电子产品的销售量仅有25万台，而2007年一年所配备的HDMI产品数量就增加至1.5亿台。

但是，目前几乎所有的HDMI接口产品都只局限于数字电视以及DVD系列产品，本文利用最新的HDMI 1.3技术设计了一款智能显示屏控制器，将HDMI技术应用到LED显示屏行业，从而将LED显示屏的显示性能和效果提高了一大步。

系统结构及功能概述

根据LED显示屏需具有较高的显示性能和效果，以及方便控制的需求，显示屏控制系统应具有足够的输入、输出接口和远程通信功能。我们基于HDMI 1.3技术的LED显示屏控制器的系统结构如图1所示。系统按功能可分为以下几个模块：6路模拟量输入、2路DVI输入、1路VGA输入、RS-232和 RS-485通信、光纤数据传输、实时时钟以及状态指示等。

图1. 基于HDMI技术的LED显示屏控制器结构

主要功能模块的设计

目前，显示屏按数据的传输方式主要有同步显示和脱机显示两类。本文所介绍的LED显示屏控制是一套同步显示系统，即用一套嵌入式系统来为LED显示屏提供视频源，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。

独立视频LED系统

LED 显示屏的主要性能指标有场扫描频率、分辨率、灰度级和亮度等。显然，在不同的应用场合需要对这3个性能指标进行适当的取舍。因此，场扫描频率、灰度级和亮度通常由控制器决定，而分辨率可以通过控制器阵列的方式得到很大的提高。本文实现的控制器中，通过控制器阵列的形式，获得两路光纤数据输出，实现大的 LED显示屏控制面积(2048*768)，从而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。

控制系统可以通过对视频数据进行解码，获得RGB格式的视频流。再通过数据分配单元，将这些数据分别发送到不同的LED显示控制器上，控制器将播放单元提供的数据显示到全彩色大屏幕LED上。

视频数据分配方案

由于控制器是对大帧数据(例如1024*768)进行控制，因此需要对视频源提供的数据进行分配，将不同行列的数据正确地送入不同的控制器。

本系统中的LED控制器灰度级高达3×12位(可显示多达64G种颜色)、控制像素为1024×768点。因此，需要将前端提供的RGB数据分3组发送到不同的分配器，以FPGA实现，方案如图2 所示。

图2. 视频数据分配方案

数据校正子模块接收前端输入的数据，将这些数据进行逐点校正之后存入SDRAM。然后将该场数据分成8组，同时发送给LED分配器。

为了方便各模块间的接口，有利于不同时钟域的数据同步，系统采用SDRAM作为主存储器。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。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，以保证各个存储部分不会出现溢出或读空的现象。

输入数据逐点校正

FPGA根据时序关系，将输入数据读入，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。

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SPI存储器中。系统上电之后，MCU首先将该数据传送到FPGA，FPGA将其存入SDRAM中。此后，即可对前端接口输入的数据进行校正。

数据发送

在数据分配发送时，信号均以LVDS(Low Voltage Differential Signal)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。我们采用的FPGA是altera公司的Cyclone III系列。该系列FPGA可以方便地通过I/O配置获得LVDS的能力。

两路光纤数据输出，可以保证后端数据支持大面积的屏体，从而实现大的LED显示屏控制面积(两块1024*768)。这是通过altera公司的Cyclone III系列FPGA实现的。

MCU控制

由于本系统采用MCU+FPGA的架构，因此实现真正的网络远程操作，不仅可以作为一般的LED显示屏控制器，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。

为了使整个LED显示屏控制系统更具人性化，控制器包含了串口(RS-232、RS-485)通信、红外控制、SPI存储器以及实时时钟等一些辅助控制部分。此外，还增加了一个LCD显示屏，用以同步显示LED屏显示内容。

总之，增加这些辅助控制部分，使得整个控制系统更智能，再配以我们自行开发设计的系统软件，就更人性化，易于用户使用和操作。

综上所述，该LED显示屏控制系统提供6路模拟量输入及2路DVI输入接口，支持RS-232 和RS-485接口，可以实现实时数据采集和传输，而且可以对现场设备实行远程开关量控制。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(2048*768点)，可用于户外广播级应用。该设计通过单点校正，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。此外，除接收来自串口的信号外，还可通过HDMI接口接收数据信号。