（检测技术与自动化装置专业论文）基于以太网的led大屏幕控制器的研究与开发.pdf

摘要 摘要 题名：基于以太网的l e d 大屏幕控制器的研究与开发 硕士研究生姓名：刘巍 导师姓名：白瑞林教授 专业名称：检测技术与自动化装置 l e d 大屏幕显示系统具有亮度高、重量轻、显示位置精度高等特点，在各种大屏幕显示应用中 占有相当大的比例，已成为现代显示科学技术中不可缺少的手段。随着光电技术的进一步发展，建 筑媒体得到了应用发展，l e d 屏幕开始了朝着巨型化的方向发展。 网络速度的日益提高，使得各种传统的传输方式逐步被t c p i p 替代，如n e t w o r ks t o r a g e ，v i d e o o v e ri p 等。但是，要实现t c p 1 p 的高带宽，需要高端的c p u 来支持。近年来，人们开始使用t c p i p 卸载引擎( t c p i p o f f l o a de n g i n e ，t o e ) 技术来解决这个问题。但是，t o e 大多应用于高端应用，对 于低速嵌入式系统，如果要取得较高的传输速度，同样也需要使用t o e 技术。 本课题针对目前建筑媒体对l e d 屏幕发展的需要，提出了基于嵌入式t o e 芯片a x l1 0 1 5 设计开 发的人屏幕网络控制系统。该方案充分利用了硬件t c p i p 卸载技术及小型嵌入式t c p i p 协议栈u l p ， 将嵌入式高速网络与专用像素控制技术结合，并采用时分复用算法实现由c p l d 和s r a m 组建人容量 f i f o 及相关外围时序逻辑，实现了一种低成本、高带宽的l e d 人屏幕网络控制系统。 根据项目的要求，将系统划分为若干功能模块，并制定了各部分的实现方案。本文共分七章， 依次从多方面对项目的设计进行了详细的阐述。首先阐述了课题的背景，提出了课题的任务；然后 从l e d 驱动原理出发，分析了专用像素驱动技术及其组成的屏幕对控制系统的要求；第三章从整体 结构上阐述了系统的原理、软硬件的组成及开发工具；系统的硬件重点分析了c p u 和c p l d 两大功 能模块，并对系统的外周接1 ：3 电路进行了详细的设计分析；软件部分着重论述了嵌入式t o e 高速网 络设计、大容量f i f 0 的实现、时分复用算法的实现及脱机s d 卡系统的设计实现；第六章从控制器 和整体系统两方面对项目的设计进行了测试；最后对本系统的设计做了总结，并对项目的后续设计 进行了展望。 本文从项目研究开发和产品化设计的高度对l e d 大屏幕网络控制器的开发过程进行了详细的探 讨和分析，并对控制器各模块功能的实现做了细化，从理论的角度实现了项目的设计需求。本课题 在充分的原理实验基础上，经过多次设计改良，反复的调试，完成了项目设计的要求。经测试：利 用u d p 传输协议，网络带宽可以达到2 0 m b p s ，可以流畅地传输非压缩的视频数据；控制系统运行稳 定，l e d 屏幕画面清晰、显示流畅。目前，项目设计已经产品化，并已在多个工程中应用，取得了 良好的经济效益。 关键词：以太网；l e d 屏幕；a x l l 0 1 5 ；硬件t o e ；时分复用；s d 卡 a b s t r a c t a b s t r a c t l e dl a r g es c r e e nd i s p l a ys y s t e mh a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i 曲b r i g h t n e s s ，l o ww e i g h t ，h i 曲p r e c i s i o n d i s p l a yl o c a t i o na n ds oo n ，i tt a k e sal a r g ep r o p o r t i o no fa p p l i c a t i o no fl a r g es c r e e nd i s p l a ya n dh a sb e c o m e a ni n t e g r a n tp a r to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a l o n gw i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y , m e d i aa r c h i t e c t u r eh a sd e v e l o p e da n dm o t i v a t e st h ed e v e l o p m e n to fl e ds c r e e ni nt h eg a i n td i r e c t i o n t h ei n c r e a s i n gs p e e do ft h en e t w o r km a k i n ga l lk i n d so ft r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o n sw e r er e p l a c e db y t c p i pg r a d u a l l y , s u c ha st h en e t w o r ks t o r a g e ，v i d e oo v e ri p h o w e v e r , i tn e e d sh i g h e n dc p ut oa c h i e v e ah i g h - t h r o u g h p u t i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l eh a v eb e g u nt ou s et h et c p i po f f l o a de n g i n et os o l v et h e p r o b l e m b u tt o ei sf o rh i g h e n da p p l i c a t i o nm o s t l y i fw a n tt og e tah i g h e rt r a n s m i s s i o ns p e e di n l o w - s p e e de m b e d d e ds y s t e m ，t o et e c h n o l o g yi sa l s om u s tb eu s e d t h ep r o j e c tp r o p o s e e sal a r g es c r e e nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt o ec h i pa x11015t a r g e t e da tt h el e d s c r e e nd e v e l o p m e n tm o t i v a t e db ym e d i aa r c h i t e c t u r e t h ep r o j e c tt a k e sa d v a n t a g eo ft h eh a r d w a r et o e t e c h n o l o g ya n ds m a l le m b e d d e dt c p i pp r o t o c o l ，c o m b i n e st h ee m b e d d e dh i g h s p e e dn e t w o r ka n dp i x e l c o n t r o lt e c h n o l o g y , a n du s e sc p l da n ds r a mt of o r ml a r g e c a p a c i t yf i f oa n ds o m es e q u e n t i a ll o g i c e s b yt i m ed i v i s i o nd u p l e x i n ga l g o r i t h m ，a c h i e v e dal e dl a r g es c r e e nc o n t r o ls y s t e mw i t hl o w c o s ta n d h i g h - t h r o u g h p u t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h ew h o l es y s t e mw a sd i v i d e di n t os e v e r a lf u n c t i o n a l m o d u l e sw h i c hr e a l i z e ds e p a r a t e l y t h ep a p e rw a sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r sa n dt h ed e s i g no fp r o j e c t w a s e x p a t i a t e di nd e t a i lf r o mm a n ya s p e c t s f i r s ti n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do f t h et o p i ca n dr a i s e dt h et a s k , t h e np r o c e e df r o mt h ep r i n c i p l eo fl e dd a “v e a n a l y s e dt h ep i x e ld r i v et e c h n o l o g ya n dt h er e q u e s to f c o n t r o ls y s t e mf o r m e db yp i x e id r i v e r i nt h et h i r dc h a r p t e ra n a l y s e dt h es y s t e mp r i n c i p l eo nt h eo v e r a l l s t r u c t u r e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dd e v e l o p m e n tt o o l s i nh a r d w a r ef o c u so nt h ed e s i g no fc p ua n d c p l df u n c t i o n a lm o d u l e s ，a n da n a l y s e dt h ei n t e r f a c ec i r c u i t si nd e t a i l e d f o rs o f t w a r ed e s i g n ，i tm a i n l y d i s c u s s e dt h er e a l i z a t i o no fh i g h s p e e de m b e e d e dt o en e t w o r k , l a r g e - c a p a c i t yf i f o ，t d ma l g o r i t h ma n d o f f l i n es dc a r ds y s t e m t a l k e da b o u tt h et e s tf o r mc o n t r o l l e ra n dw h o l es y s t e mt w oa s p e d t si nc h a p t e rs i x a n dg a v et h es u m m a r yo ft h es y s t e md e s i g na n dt h ee x p e c t a t i o nf o rt h ef o l l o w - u pd e s i g nf i n a l l y i nt h ep a p e rs t u d i e da n da n a l y s e dt h ep r o c e s so fl e dl a r g es c r e e nn e tc o n t r o l l e ri nd e t a i la n di nd e p t h f r o mt h ea s p e c to fp r o j e c tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t ，a n dd e s i g n e dt h er e a l i z a t i o no fe v e r y f u n c t i o nm o d u l e s ，r e a l i z e dt h ed e s i g nt a r g e ti nt h ea s p e c to ft h e o r y i nf u l lo nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l e e x p e r i m e n t , s e v e r a ld e s i g ni m p r o v e m e n t s ，a n dr e p e a t e dt e s t s ，c o m p l e t e dt h er e q u i r e m e n t so fp r o j e c td e s i g n e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tu s i n gu d pt r a n s p o r tp r o t o c o l ，t h et h r o u g h p u tc a nb eu pt o2 0m b p sw h i c h c a nt r a n s f e rn o n - c o m p r e s s e dv i d e od a t as m o o t h l y t h ec o n t r o l s y s t e mw o r k ss t a b l ea n dt h ep i c t u r ei s s h o w i n gc l e a r l ya n ds m o o t h a tp r e s e n t ，t h ep r o j e c td e s i g nh a sb e c o m ep r o d u c t s ，a n da p p l y e di nan u m b e r o fp r o j e c t sw h i c hh a sa c h i e v e dg d 0 de c o n o m i cr e s u l t s k e y w o r d s ：e t h e r n e t ：l e ds c r e e n ；a x l1 0 1 5 ：h a r d w a r et o e ；t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ；s dc a r d i i 独创陛声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名： 日 期：舻口缪口乡tf 。 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名： 导师签名： 弘口暑o ；1 赴嘲丝每 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景 l e d 显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极 管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、 价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的几十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信 息显示领域得到了广泛的应用。 二十世纪九十年代开始，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，l e d 显示屏在 l e d 材料和控制技术方面也不断出现新的成果。随着电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示 屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级能实现1 6 级灰度和6 4 级灰度，显示屏的动 态显示效果大大提高。这一阶段，l e d 显示屏在我国发展非常迅速，从初期的几家企业、年产值几 千万元发展到几十家企业、年产值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、 公路交通、商业广告、邮电等诸多领域。l e d 显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，l e d 显示屏产业成为新兴的高科技产业( 1 l 2 i 。 二十一世纪以后，l e d 显示屏的发展进入一个总体稳步提高、产业格局调整完善的时期。此时 随着l e d 技术、光电技术、网络技术的进一步发展，建筑媒体和交互式建筑( m e d i aa r c h i t e c t u r ea n d i n t e r a c t i v ea r c h i t e c t u r e ) 得到了日益的发展。所谓建筑媒体是指利用建筑来传递媒体信息，将l e d 技术与建筑结合，突破传统l e d 大屏幕的局限性，将l e d 技术运用于整个建筑的表面，产生巨大 的视觉冲击力【3 1 。如b a y e r 公司的办公大楼，整栋大楼的外墙即是一个现代化的媒体幕墙，该墙面 约1 7 0 0 0 m 2 ，使用了3 5 0 万个l e d 4 1 ；北京世贸天阶的电子梦幻屏幕，纵深2 5 0 m ，宽3 0 m ，屏幕总 面积达7 5 0 0m 2 ，成为吸引人潮的世界级空中奇观p l 。这种新兴的技术也将推动l e d 屏幕行业的高 速的发展。 l e d 显示屏幕的核心在于控制部分，现行的l e d 屏幕系统结构一般采用同步传输方式，大量使用 专用的f p g a 电路实现，系统专用，各家公司的产品自成一体，施工布线复杂，产品更改很不方便， 处于半定制状态生产。因此，采用新的方案实现l e d 屏幕的显示及控制，并利用高速网络的技术，使 得系统的灵活性大大的增加，这对于提高客户满意度，降低项目实施的费用，提高经济效益，增强 产品在国内国际市场上的竞争力具有非常重要的意义。 1 2 l e d 显示屏的发展现状及趋势 1 2 1 l e d 显示屏的发展现状 l e d 应用可分为两大类：一是l e d 单管应用，包括背光源l e d ，红外线l e d 等；另外就是l e d 显 示屏。目前，中国在l e d 基础材料制造方面与国际还存在着一定的差距，但就l e d 显示屏而言，中 国的设计和生产技术水平基本与国际同步。 由于l e d 显示屏具有高亮度、可拼接使用、方便灵活、高效、低耗等优点，使得它在大面积显 示，特别在体育、广告、金融、展览、交通等领域的应用相当广泛。就整个l e d 显示屏系统而言， 中国与国际处在同一技术水平，因为国内产品在性价比方面具有得天独厚的优势，市场占有率在9 0 以上，国外同类产品很难打入中国市场；中国光学光电子行业协会l e d 显示屏专业分会委员关积珍 江南大学硕士学位论文 透露：目前，中国有1 0 0 多家l e d 显示屏厂商，9 0 以上都是民营的高科技企业，其中，拥有自己的 生产基地，一支稳定的研发队伍，具有一定生产规模的有2 0 一3 0 家，但是，应该看到，在规模方面 还不是很大，年产值在1 0 0 0 万元以上的企业则不多l o j 。 近几年来，l e d 显示屏相关技术也取得了较大的发展，受到建筑媒体发展的推动，l e d 屏技术又 有了新的突破，主要表现在两方面：一是前端器件部分；二是后端控制部分1 7 j 。 l e d 显示屏前端显示器件性能提高很快。目前，全彩色显示已基本没有技术上的障碍了，而且， 在原来红色、绿色和蓝色l e d 的基础上，又出现了纯绿色和高亮度的红色l e d 产品。除此之外，l e d 的封装技术也取得了一定的进步1 5 j 。原来采用的是单管或点阵模块，而现在随着全彩色显示技术的 不断成熟与完善，普遍采用了表面贴装技术( s m t ) 。采用s m t 的优势在于：封装密度高，视觉效果 好，且增大了l e d 显示屏的视角，可以达到1 2 0 - 1 5 0 。 l e d 显示屏后端控制原来使用常规的控制电路，随着控制技术的不断完善和控制芯片的应用， 普遍采用l e d 专用集成电路( a s i c ) 它可根据l e d 显示的特点，对灰度及每个象素进行控制及调 节，这就使得显示亮度和色彩效果都有了较大的提蒯引。由于技术水平和造价等方面的原因，目前 l e d 控制芯片产品主要掌握在国外公司手中，如m a x i m 、a g i l e n t 、东芝等。与此同时，中国国内也 有一些厂家研制并生产l e d 显示屏控制电路，如北京利亚德、北京中庆、郑州中显等，但由于性能 因素，推广使用尚有待时日。 1 2 2l e d 显示屏的发展趋势 现代信息社会中，作为人机视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，二十一世纪将是平 板显示的时代，l e d 显示屏作为平板显示的主要产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十 一世纪大屏幕平板显示的代表性主流产品【1 0 】。 ( 1 ) 高亮度、全彩化 蓝色及纯绿色l e d 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。基础材料 的产业化，使l e d 全彩色显示产品成本下降，应用加快。同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优 势，预计在未来几年的发展中，全彩色l e d 显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、 霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色l e d 屏更会成为主流产品。全彩色l e d 显示屏 的广泛应用会是l e d 显示屏产业发展的一个新的增长点。 ( 2 ) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成为l e d 显示屏 发展的一个新趋势。行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对统一的认识和评判依据， 生产条件差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场的淘汰，预计今后几年内一批小 规模l e d 显示屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋子有序。 ( 3 ) 产品结构多样化、网络化 信息化社会的形成，信息领域愈加广泛，l e d 显示屏的应用前景更为广阔。大型或超大型l e d 显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小型l e d 显示屏也会有 较大提高，面向信息服务领域的l e d 显示屏的产品种类和品种体系将更加丰富，部分潜在市场需求 和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、标志性建筑等对信息显示屏需求量将有更大的提 高。 除了l e d 显示技术本身的发展，随着网络技术的不断进步和实际应用的需求，网络型、智能型 l e d 控制技术也出现了新的发展势头，这就对传统的一台微机控制一个或多个l e d 显示屏提出了新 2 第一章绪论 的挑战。由于l e d 显示屏控制技术与网络技术原先是彼此独立的，现在要把二者结合起来，实现l e d 显示屏的网络控制，就需要从事l e d 控制技术的利研人员能够开发出符合网络系统协议与规范的相 关软、硬件，这在今后还要有比较长的一段路要走。 1 3 本课题的主要任务 本课题重点为在基于全彩色l e d 点像素控制技术上，开发出可实际应用的嵌入式高速网络通信 控制系统，组建大型l e d 屏幕系统。课题主要任务如下： ( 1 ) 参阅国内外相关技术资料，并根据最新型的l e d 像素控制技术，设计出一种切实可行的全 彩色l e d 显示屏控制系统的实现方案。 ( 2 ) 采用硬件t o e 技术实现1 0 1 0 0b a s e t 的网络传输。为满足系统传输无压缩的视频数据的 要求，控制器采用u d p 传输的网络带宽必须1 2 m b p s 。 ( 3 ) u l p 协议栈的简化、重构。u i p0 9 是一个适用于8 1 6 位机上的小型嵌入式t c p i p 协议栈， 简单易用，资源占用少。它去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能，而保留网络通信所必要的协 议机制。但是u i p 0 9 协议栈对u d p 的支持并不完善，并结合网络c p u 本身硬件t o e 功能对网络 协议的协助处理，需要对协议栈进行简化、重构，以实现数据高速传输。 ( 4 ) 大容量f i f o 的实现。为了能够处理桌面操作系统定时不够精确、处理大量并发任务效率不 高以及突发传送等问题，需要用f i f o 来进行码流缓冲，使码流可以均匀平滑地传送到屏幕显示。 但是目前大容量的f i f o 价格昂贵，因此需要采用c p l d 和s r a m 构成大容量的f i f o 。 ( 5 ) 时分复用算法的实现。上位机软件采用多进程实现多控制器联网运行，由于多进程的滞后性 和突发性，将导致控制器在读取f i f 0 的同时，也接收到网络发送的数据，这就要求控制器能对f i f 0 读操作的同时也进行写操作。因此需要在控制器中实现时分复用算法，宏观上实现对f i f 0 同时读写 的操作。 ( 6 ) 实现脱机读s d 卡功能。考虑到产品的实用性和智能化，系统中应该加入脱机读卡功能，以 便满足客户的不同需求。 ( 7 ) 采用l v d s 接口传输信号。控制器输出8 路s d 6 0 0 信号，直接输出1 t l 电平，容易产生干扰， 也难实现长距离传输，因此系统中应将输出的1 v r l 电平转换为l v d s 信号传输，提高系统的抗干扰性， 增加信号的传输距离，方便组建屏幕。 ( 8 ) 完成系统的测试工作，确保系统的稳定性和可靠性。 ( 9 ) 将设计产品化，并完成相应的文档。 3 江南大学硕士学位论文 第二章l e d 显示技术及像素驱动 2 1l e d 工作原理 2 1 1l e d 发光的基本原理 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) ，是一种把电能变成光能的特种器件，当电流通过的时 候，可以产生可视的光。发光二极管的结构主要由p n 结芯片、电极和光学系统构成。当在p n 结 上加以正向电压之后，p 区的空穴注入至n 区，n 区的电子注入至p 区，相互注入的电子与空穴相 遇后即产生复合，这些少数载流子在注入和复合中产生辐射而发光。它是自发辐射发光，不需要较 高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光【l l j 。 2 1 2l e d 器件驱动 从l e d 器件的发光机理可以知道，当向l e d 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其 发光。因此l e d 的驱动就是要使它的p n 结处于正向偏置，同时为了控制它的发光强度，还要解决 正向电流的调节问题。具体的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、扫描驱动及专用像素驱动芯片等【1 2 】， 本课题l e d 器件的驱动为专用像素驱动芯片s d 6 0 0 。 ( 1 ) 直流驱动 直流驱动是最简单的驱动方法，就是通过稳定电源，经限流电阻为发光二极管l e d 提供电流的 方法。连接时使l e d 的阴极接电源的负极方向，阳极接正极方向。这种驱动方式虽然简单，但是不 能在l e d 显示屏上使用。这是由于l e d 正向特性陡峭，加上元件参数的分散性，即使相同的电源， 相同的限流电阻，每个l e d 的正向电流也不尽相同，导致l e d 器件的发光强度不同，亮度不均， 而且这种方法不易调节每个l e d 器件的亮度，所以无法标识图像信息。 ( 2 ) 恒流驱动 由于l e d 器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样限流电阻的情 况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。若对l e d 器件进行恒流驱动，只要 电流值相同，发光强度就比较接近。采用恒流驱动方式，是比较理想的l e d 驱动方式，它能避免 l e d 正向电压的改变而引起的电流变动，同时恒定的电流使l e d 的亮度稳定。因此众多厂家选用 恒流方式驱动l e d 。 ( 3 ) 扫描驱动 扫描驱动，是指利用人眼的视觉惰性，采用向l e d 器件重复通断供电的方法使之点燃的驱动方 式。采用扫描驱动方式时应该注意两个问题：扫描电流幅值的确定和驱动脉冲频率的选择。 为了获得与直流驱动方式相当的发光强度，扫描驱动电流的平均值i a v g 应与直流驱动时的电流 值相同，如图所示2 - 1 所示，i a v g 的计算公式如式( 2 1 ) 。 4 第二章l e d 显示技术及像素驱动 图2 - 1l e d 的扫描驱动 f i g 2 - 1 $ c a n i n gd ri v eo fl e d i a v g = i m a x ( t o n t )( 2 一1 ) 其中t o n t 称为扫描电流的占空比，可通过调节占空比来调节平均驱动电流i a v g ，从而改变 l e d 的亮度。其次，就是扫描频率的问题。由于扫描频率必须高于2 4 h z ，否则就会产生屏幕闪烁的 现象，在实际应用当中，往往采用更高的频率以确保屏幕显示的稳定，如6 0 h z 、1 2 0 h z 等。 ( 4 ) 专用像素驱动芯片 彩色屏幕的像素点一般由红、绿、蓝3 颗l e d 灯或2 红l 绿1 蓝4 颗l e d 灯组成，采用传统的 驱动方法，会使得驱动电路非常复杂，专用的像素驱动芯片内部集成了调光系统，一般可以支持r g b 三通道的p w m 调光输出，适用于七彩灯光照明及稀疏点阵l e d 大屏幕系统中。 s d 6 0 0 是一款先进的单芯片l e d 调光控制芯片，它使用两根线实现控制电路的同步通信，使芯 片的级联更加方便与灵活1 1 3 1 。支持r g b3 路p w m 调光，灰度等级为2 5 5 ，采用高速同步通信接口， 数据速率高达l o m b p s ，适用于稀疏点阵、超大型l e d 屏幕。 2 2s d 6 0 0 像素控制芯片的应用 2 2 1s d 6 0 0 工作方式 s d 6 0 0 的引脚图如图2 - 2 所示，c l k i 、s d i 为输入时钟和信号线，c l k o 、s i x ) 为同步输出的时 钟和信号线，r e d 、g r e e n 和b l u e 为输出的三路p w m 信号，c t r l _ p o l a r i t y 为输出极性选择。芯片控 制简单，使用两根线便可以实现控制电路的同步通信。 s d i c l k i c t r lp o l a r i t y g r e e n g n d v c c s d 0 c l k o r e d b l u e 图2 - 2s d 6 0 0 引脚图 f i g 2 - 2s d 6 0 0p i n sd i s t r i b u t i o n s d 6 0 0 的通信格式采用s p i 格式，接收的数据为2 4 位r g b 格式，内有2 个移位寄存器r 1 、r 2 ， r 1 保存上次接收的数据，r 2 接收正在传输的数据。如果接收到了一帧数据的2 5 位结尾标志 o x o f f f f f f f f ，则把上次收到的数据输出显示，r 2 中的数据继续后传，否则，r 1 中的数据后传，r 2 5 江南大学硕士学位论文 中的数据移位到r 1 中，r 2 继续接收新的数据。由s d 6 0 0 级联组建的l e d 屏幕所需要的数据帧结构 如图2 - 3 所示。 m s b g u a r d d a t af i e l d g a p 2 。2 4 b i t s。 tk ：h 2 5b i 乜、，二叶- 、u i d 8 b i t s8 b i t s 8 b i i s l s b g r e e nb l u er e d 图2 - 3s d 6 0 0 的数据帧格式 f i g 2 - 3s d 6 0 0d a t af r a m es t r u c t u r n 为控制线上像素点的数量，如一对控制线上串接1 0 2 4 颗s d 6 0 0 ，即1 0 2 4 点像素，则每帧的数 据为：1 0 2 4 x 2 4 + 2 5 = 2 4 6 0 1b y t e s 。s d 6 0 0 的时钟输入必须是连续、稳定，其和数据输入的波形关系 如图2 - 4 所示。 s d l = 碎二苇二碎= 碎二= 率= 毯= # c l k i 广 广 广 广 l 厂 广 厂 i 图2 - 4s d 6 0 0 信号输入波形 f i g 2 - 4s d 6 0 0t i m i n go fi n p u ts i g n a l 8 2 2 2s d 6 0 0 在l b d 屏幕中的应用 通过s d 6 0 0 串行级联，可以组建稀疏型l e d 屏幕，如图2 5 所示。系统中网络l e d 控制器( n e t l e dc o n t r o l l e r ，n l c ) 可以输出8 对s p i 接口，每对s p i 总线可以串接2 0 4 8 个s d 6 0 0 ，即每对s p i 总线可以控制2 0 4 8 点像素。p c 机根据像素的连线方式进行像素编码，然后通过网络发送给n l c 。不 同的n l c 有不同的i p 地址，因此可以通过集线器进行网络级联，组成巨型的l e d 屏幕。 图2 - 5s d 6 0 0 组成的l e d 屏幕结构 f i g 2 - 5l e d $ c l e e r lst r u c t u r ef o r m e db ys d 6 0 0 6 第二章l e d 显示技术及像素驱动 s d 6 0 0 的数据格式为2 4 位r g b 格式，上位机软件根据s d 6 0 0 的连线方式编码每点像素的r g b 数据，编码好的2 4 位数据存储在2 4 个字节的某一对应位，如只有1 路s p i 信号，那么所有编码好 的数据将存储在数据缓冲区字节的第0 位，如有2 路，则数据缓冲区所有字节的第0 位存储的是第 1 路的数据，而第l 位存储的是第2 路的数据。上位机软件将一帧数据编码后加上结尾标志 o x o f f f f f f f f ( 用2 5 字节来存储) ，通过网络高速发送给控制器，控制器收到一帧数据后，无须再对 数据进行解码，直接将数据按s d 6 0 0 需要的s p i 格式发送即可。由于数据缓冲区的每一位对应一路 s p i 信号，因此输出时8 路数据将同时输出，即控制器按字节将数据并行输出，保证了屏幕信号的 同步行 控制器无须对接收到的数据进行解码，简化了控制器的设计，但要求控制器必须有很高的网络 带宽以能够接收上位机发送的无压缩的数据，并且有大容量的f i f o 对数据进行码流缓冲。 2 3 本章小结 本章简介的讲述了l e d 发光器件的发光原理和几种l e d 驱动方式，并对几种l e d 驱动进行了比 较，其中着重地讲述了专用像素驱动芯片的特点和s d 6 0 0 像素驱动芯片的应用，并在此基础上提出 了基于s d 6 0 0 像素控制芯的l e d 网络控制器的要求。 7 江南大学硕士学位论文 第三章控制器系统整体方案设计 3 1系统原理 l e d 大屏幕网络控制系统原理如图3 - i 所示。整个控制系统主要由p c 机、以太网络、网络l e d 控制器( n e tl e dc o n t r o l l e r ，n l c ) 、l e d 屏幕等组成。 图3 - il e d 大屏幂网络控制系统原理图 f i g 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fl e dl a r g e $ c r e e nn e tc o n t r o ls y $ t o m 系统的上位机软件l i g h ts t u d i o ，基于d e l p h i 平台开发，嵌入了f l a s h 动画播放软件和m e d i a p l a y e r 播放软件，可以对图像进行处理，并编码成s d 6 0 0 需要的数据格式【1 4 1 。l i g h ts t u d i o 根据 系统中控制器的个数n 和每个控制器实际控制l e d 屏幕的面积对图像进行采集、编码，将每帧画面 数据分成n 块，分别对应于n 个不同i p 地址的控制器，然后将每块画面编码后的数据以u d p 包的形 式，通过以太网络高速发送给相应的控制器。 系统中对图像的采集、编码由上位机软件完成，像素的显示采用专门的像素芯片s d 6 0 0 ，因此 下位机n l c 减少了对数据进行解码的操作，但必需满足高速网络带宽的要求。系统中的n l c 采用带 硬件t o e 的嵌入式c p ua x l l 0 1 5 为核心处理器，软件中采用精简的u l p 协议处理网络协议，实现网 络数据的高速通信。控制器中由c p l d 和s r a m 组成大容量的f i f o 来进行码流缓冲，保证视频图像的 平滑显示。系统中，每个n l c 有唯一的i p 地址，上位机软件将分割、编码后的数据根据i p 地址发 送到控制器，当n l c 完整地接收到所控制画面的一帧数据后，启动c p l d 内部的s p i 功能，将数据通 过s p i 总线发送至l e d 幕墙像素控制芯片s d 6 0 0 进行显示。 该控制系统除了可以通过网络在线实时控制外，也可以脱机播放视频画面。控制器n l c 集成了 s d 卡功能，可以通过读取s d 卡中的视频文件进行脱机运行。因此可以通过该控制系统，方便的组 建l e d 屏幕或幕墙。 3 2 系统的软，硬件组成 3 2 1 系统的硬件组成 l e d 大屏幕网络控制器原理如图3 2 所示。首先，c p u 通过网络接口接收网络主机发送的画面帧 数据，然后，c p u 通过其l o c a l b u s 总线把数据经由c p l d 存入s r a m 进行码流缓冲，最后，c p l d 以 s p i 总线形式把帧数据从s r a m 中取出发送至l e d 屏幕像素控制芯片。控制器主要包括：嵌入式t o e 8 第三章控制器系统整体方案设计 网络处理器、可编程逻辑器件、数据存储器、e e p r o m 配置电路和s d 卡电路等五部分。其中，网络 处理器主要负责接收网络数据，并将其通过c p l d 存入数据存储器中；数据存储器则用于缓存帧数据； 可编程逻辑器件c p l d 负责接收c p u 发送的数据，对s r a m 进行f i f o 功能控制，并且产生数据发送所 需要的各种时序；e e p r o m 中主要存放一些网络处理器的配置参数和用户信息等；s d 卡电路用来读取 s d 卡中的视频文件，主要用于脱机播放。 a x l l 0 1 5 图3 - 2l e d 大屏幕网络控制器原理框图 f i g 3 - 2s c h e m a ti cb l o c ko fl e dl a r g es c r e e nn e tc o t r 0 1l e r 3 2 2 系统的软件组成 系统的软件主要包括控制器c p ua x l1 0 1 5 软件设计和控制器c p l d 设计。两者的软件流程及相互 关系如图3 - 3 所示。 等待复位 l 复位 7 设置c p l d 参数 1广 一“l - 接收数据 并存储 ， ： c p u 流程 图3 - 3 软件流程图 f i g 3 - 3s o f t w a r e f l o wc h a r t ( 1 ) a s l1 0 1 5 控制单元软件设计 控制器的c p u 软件设计在k e i l5 1 环境下采用c 语言编写。 9 c p l d 流程 主要功能分为：初始化l e d 屏幕设 江南人学硕士学位论文 置、接收网络数据、对网络数据进行帧重组并发送至f i f o 及脱机读卡功能。 网络联机时，a x l l 0 1 5 接收一帧数据后，首先存入m a c 模块的接收缓冲区中，然后启动d m a 引 擎，d m a 引擎将数据经过t o e 模块的t c p i p 卸载引擎处理后，存入接收缓冲区，如果接收正确便产 生中断，通知应用程序调用u i p 协议栈进行再解析，取到实际数据做迸一步处理。由丁在数据接收 或发送的过程中经过了硬件t o e 引擎的处理，u i p 软协议栈只需做少量事情即可，因此减轻了c p u 内核的负荷，并且提高了网络传输的性能。 脱机时，系统根据内嵌的嵌入式文件系统读取s d 卡中的视频文件，利用l o c a lb u s 总线和c p l d 进行通信，完成视频的脱机播放。 ( 2 ) e p l d 控制单元软件设计 c p l d 控制单元的设计是在o u a r t u si i 环境下完成，并采用硬件描述语言v e r i l o gh d l 描述。 主要功能是接收c p u 发送的数据、配合s r 埘形成f i f o 、将f i f o 中的帧数据以s p i 格式发送至s d 6 0 0 。 在c p l d 内部，建立一个进程，接收c p u 通过l o c a lb u s 发送的数据，存入一个由c p l d 逻辑单 元组建的4 字节f i f o 中，用f i f o e m p t y 变量标示是否收到c p u 的数据，时分复用进程将根据此标志 读取f i f o 的数据，存入外部s r a m 形成的f i f o 中。时分复用进程内部设4 个循环状态，1 、2 状态 用来读取f i f o 中的数据，并写入s r a m 进行帧缓冲；3 、4 状态用来从s r a m 中读取数据，并按s d 6 0