基于网口传输的LED同步屏控制系统及其FPGA实现

LED全彩同步控制系统具有高性能实时显示、节能、环保等优点，成为现代信息发布的重要媒体。本设计改变传统设计中采集显卡VESA信号接口、使用并行多根总线传送数据的方式，改用采集DVI接口、通过网口传输数据，既节省成本也提高了传输效率和传输质量。另外，该设计还采用一系列新技术，例如使用高集成度FPGA作为主控制模块、使用大容量SDRAM代替高成本的等容量SRAM、采用信号包复用技术同步传送显示数据和控制数据、采用高效率的灰度切片算法等等。LED同步屏控制系统具有成本低、显示面积大、显示稳定、刷新率高等特点，是目前市面上非常具有竞争力的显示控制方案。

1 系统原理和结构

系统整体架构如图1所示，主要由两部分组成：采样发送板(STR)和现场控制板(FRC)。通过大规模逻辑及其他组件，实时同步采集计算机输出的显示数据，通过高速缓存、格式转换后，由大容量传输通道传送到LED显示屏现场，最终转换成LED扫描控制信号，在LED显示屏上实现高清晰的视频、图片、文本等节目内容的显示。





1．1 显示信号采集

本设计从电脑的DVI接口采集高清晰显示数据信号。DVI主要基于转换最小差分信号TMDS(Transition Minimizerl Differential signa-ling)技术来传输数字信号。TMDS运用编码算法把8 tit(24位色RGB数据，每色各8 bit)通过最小转换编码转换为10 bit数据(包含行场同步信息、时钟信息、数据DE、纠错等)，并在DC平衡后，采用差分信号传输数据。它比LVDS、TTL具有更好的电磁兼容性能，可用低成本专用电缆实现长距离、高质量数字信号传输。本系统采用专用TFP401A芯片。将计算机显示卡DVI接口输出的TMDS信号转换成TTL电平的RGB三色分离的数据信号。

1．2 显示数据格式转换

DVI接口高速输入的显示信号是串行含灰度的数据，以24位色数据为例，每个颜色的权值数据为8位，即灰度等级为256级(28)。LED显示屏上的灰度实现，是通过控制每一个LED的点亮时间即占空比来实现的，为了更高效的实现不同的灰度，该设计采用全屏幕每个权值独立显示的方式，即控制整个屏幕分别显示1～8个权值的亮度。

整个数据格式转换过程由采集发送板和现场控制板上的2片FPGA以及数据缓存的SDRAM来实现。通过权值分离-缓存-分区提取-数据重整等一系列过程，最终得到LED显示屏的扫描数据。

1．3 显示数据传送

DVI接口送过来的同步视频信号数据量巨大。为了将大面积、高分辨率、高灰度的视频显示数据可靠的从电脑输出到显示屏体，需要采用可靠的传输媒介。另一方面，从计算机到LED显示屏距离一般为几十米到上百米。能传输的距离越长，从控制机房到显示屏的距离限制越小，工程施工越灵活。

设计中的接口芯片采用RTL8208B实现。RTL8208B是Realtek公司生产的一款8口10 M／100 M以太网收发芯片。本设计中，采集发送板STR只需使用发送通道。现场控制板FRC同样只需要接收通道。每根以太网网线含4对双绞线，在百兆以太网中只使用到其中的2对，本设计中利用千兆以太网技术，使用全部4对双绞线来作为传送通道，这样每根网线可传输400 Mb／s的数据量，2根网线(8路通道)可传输800 Mb／s的数据量。表l为网口传输数据量分析情况。其中，数据量=分辨率×场频x256级灰度数据宽度。

从表l可以得到，单根网线可传输l 024x512全彩或者1 024x768双色场频30 Hz的数据；两根网线传输l 024x512全彩或l 024x768双色场频60 Hz的数据。





1．4 LED显示屏灰度扫描实现

LED显示屏由多个显示模组组合而成，显示接口一般由以下几个信号组成：串行数据信号：多组红、绿、蓝信号；串行时钟信号；CLK；串行锁存信号：LATCH；输出使能信号：OE；行编码信号(静态模组时无行信号)：一般最多16行扫描，行扫描信号在显示屏模组上由译码器(74HCl38等)译码得到。

LED显示屏为实现大面积显示，屏幕面积一般非常巨大，而显示屏的控制数据一般都是串行传送，控制线都非常长且容易收到干扰，在大面积情况下可以保证稳定传输的信号频率有限。如果增加系统的控制面积，一般方法有：1)提高显示屏控制信号的时钟频率。但这种提高是有限的；2)降低刷新频率。刷新频率降低必将影响显示稳定度，效果很差；3)多个控制器同时处理。增加扫描控制器必然增加成本。

本设计采用灰度切片的方式来实现高灰度、大面积、高刷新频率显示：按256级灰度(8位)计算，8位权值数据由高到低依次为D7(128权值)，D6(64权值)……DO(1权值)。设置合适的输出显示屏的串行时钟。提高并行输出的RGB数据信号组，即可提高显示屏面积并满足实际高清显示效果。本设计中，实际控制面积为l 024x768像素点。实际测试可以发现，采用灰度切片方式后，显示屏亮度损失极小，可以实现非常稳定的视频显示。

2 系统设计

2．1 采样发送板功能分解

图2为采样发送板STR总体架构图和FPGA功能模块图。





2．1．1 DVI接口

TFP40lA转换后向FPGA输入以下信号为QE／QO为每组信号送出红绿蓝各8 bit数据。本设计使用TFP40lA单链路TMDS方式；ODCK为数据时钟；DE为数据使能；VSYNC／HSYNC为场同步信号，行同步信号。

2．1．2 STR核心控制FPGA设计

采集发送板的核心为高速逻辑器件FPGA，FPGA各功能框图如图2所示。FPGA通过实时采集数据并利用SDRAM缓存实现采样、缓存、格式转换等一系列高速同步数据处理。同时，FPGA通过采样发送板上的CPU接收计算机的控制指令来适应不同的显示屏和不同的应用环境。

FPGA各功能模块说明如下：

1)采集模块 ①伽马校正：对于不同的节目源、不同的显示屏体，需要经过不同数值的伽马校正来获得更符合人眼视觉的显示效果，得到更清晰的图像。本设计提供伽马校正接口，通过采样发送板上的MCU，可根据最终显示效果设置不同的伽马校正值。在采集数据输入后，即转换成经过校正的显示数据。②权值分离和数据重组：对输入串行数据进行权值分离处理，并根据CPU设置的显示屏扫描模式进行初步数据重组。

2)SDRAM控制和仲裁器 系统需要实时处理每一帧显示数据，通过大容量的外部存储器作为缓存器。同步处理输人帧接收和输出帧提取。

在以往的设计中，一般采用2片SRAM(静态存储器)将2帧信号独立存储，大容量的SRAM成本高昂。本设计中。采用单片SDRAM设计。相同容量的SDRAM比SRAM价格低得多，而采用单片SDRAM，整个系统的成本将进一步下降；同时与FPGA接口减少，对FPGA的I／O口需求减少，优化器件选择。

两帧显示信号分时读写，当前正在缓存的帧数据和当前正在读取的上一帧数据在SDRAM里用不同的页面来分别进行存储。由于单片SDRAM控制和数据总线只有一组。所以需要SDRAM控制仲裁器模块来实现无缝分时总线切换控制。

采集模块和输出模块分别将数据流切片，转成小数据块，数据流切片后，各模块每次占用总线的时间减短。经过精确计算每个模块占用总线的时间、2次占用总线要求的最长间隔，设计合适大小的数据流切片大小：2个模块即可实现无缝分时占用SDRAM总线。

3)网口编码输出 输出控制模块按照显示屏的扫描模式分区采集缓冲SDRAM中的数据，并转换重整成新的网口串行传输格式。除了显示数据需要通过网口传输外，为实现远程设置现场控制板，还需要将控制参数通过网口传输。网口编码前将显示数据包和控制信号包，经过分时复用，经网口编码器编码后送至RTL8208B传送。

4)帧同步控制 数据在采样发送板需要同步处理两帧信号，为了稳定地将输出网口的帧信号与输入的DVI帧信号同步，帧同步模块通过同步指令，将两个时钟域的帧信号锁定在一起，以实现帧信号同步控制，避免出现显示画面断裂的情况。

2．2 现场控制板功能分解

图3为现场控制板FRC总体架构图和FPGA功能模块框图。





2．2．1 FRC核心控制FPGA设计

现场扫描板的核心控制部分也为l片FPGA，FPGA通过实时接收网口数据并利用SDRAM缓存后，经过转换，由输出模块实现灰度显示，产生显示屏的控制信号。各功能模块说明如下：

1)网口解码器和数据对齐、重整 现场扫描板的RTL8208B接收到网口送来的数据信号后送到FPGA的网口解码器模块。该模块由状态机实现：当依次检测到DV信号、H信号、SSD信号后，解码器开始定位并提取帧头信号，根据帧头码中的数据类型判断是控制帧还是数据帧，并分别进行提取。

2)SDRAM控制和仲裁器 同采集发送板类似，现场控制板的FPGA也需要需要实时处理每一帧显示数据，通过大容量的外部存储器SDRAM作为缓存器，同步处理输入帧接收和输出帧提取。SDRAM控制仲裁器模块实现无缝分时控制。

3)灰度实现和扫描转换 本模块按照1．1节的描述，提取SDRAM中的各灰度数据，转换成显示屏的控制信号数据。根据采集发送板送来的控制帧中的扫描参数，调整扫描输出的数据顺序和控制信号格式，以方便实现对不同类型的LED显示屏模块组的灵活控制。LED灰度扫描输出扫描仿真信号如图4所示。

图4为输出原始信号图，输出信号再经过增加消影(行切换前关断屏体，防止出现串行的暗影信号叫消影)、行调整、多显示区穿插(控制更大面积)等处理后，经锁存驱动后送到与显示屏接口匹配的接口板，控制整个LED显示屏屏体的显示。

2．2．2 输出驱动

输出驱动将FPGA输出的扫描信号锁存驱动后送到输出接口，外部再通过转接板驱动后送至LED显示屏。

3 结论

大规模逻辑具有处理速度快、容量大等特点，随着技术的不断更新，向着更高容量、更低单位成本的方向快速发展。在通信等实时系统等领域，系统设计中充分利用FPGA的特点，使用FPGA作为核心控制模块，集成网络控制、大容量存储芯片控制、通信接口、外围器件接口、信号采集接口等多个控制功能，能够简化系统架构、降低整个控制系统以及外围成本；而精简的系统架构，避免多个控制器件匹配而造成的系统失效率高、易相互干扰等缺陷。

系统设计中，充分考虑了技术的成熟性和整个系统工程的造价，本设计利用成熟的百兆网口芯片，灵活融入千兆网技术，令工程成本大为降低、而系统稳定性大幅提高。本控制系统在实际测试和应用中，无论是户内还是户外显示屏，显示稳定性和刷新频率等参数均非常优秀，而且通过技术手段，大大增加了单系统控制的面积，降低了成本。通过与之配套开发的软件同时使用，具有非常强的市场竞争力。