（物理电子学专业论文）嵌入式led全彩屏控制系统设计.pdf

摘要 摘要 常见的l e d 全彩屏控制系统使用计算机作为视频源。在一些应用场合，出于 对控制系统成本和体积的考虑，计算机不适合作为控制系统的视频源。本文采用 嵌入式处理器替代计算机作为视频源，设计了一套新的控制系统，降低了成本， 简化了系统。 该控制系统由发送卡和接收卡组成。将a m d 公司的a u l 2 0 0 处理器集成到发 送卡作为播放单元，提供图像数据。采用f p g a 作为主控芯片控制图像数据从发 送卡到接收卡的传输以及接收卡对屏体的显示驱动。 测试结果表明该控制系统稳定可行，能很好的驱动屏体显示。 关键词：l e d 显示屏a u l 2 0 0f p g al v d s 灰度实现 a b s t r a c t 3 a bs t r a c t c o m m o n l yc o n t r o ls y s t e mo ff u l l c o l o rl e dd i s p l a yu s e sc o m p u t e ra sv i d e o s o u r c e i ns o m ea p p l i c a t i o n s ，c o m p u t e rd o e sn o tf i ta sv i d e os o u r c e , a sc o s ta n ds i z eo f c o n t r o ls y s t e ma lec o n s i d e r e d t h i sp a p e rd e s i g n e dal o wc o s ta n ds i m p l i f i e dc o n t r o l s y s t e mu s i n ge m b e d d e dp r o c e s s o ra sv i d e os o u r c e t h ec o n t r o ls y s t e mt h i sp a p e rd e s i g n e di sc o m p o s e do fs e n d i n gc a r da n dr e c e i v i n g c a r d 。t h ep r o c e s s o ro fa m d sa u l2 0 0i si n t e g r a t e di n t os e n d i n gc a r dt op l a ym e d i af i l e s a n dp r o v i d ed i g i t a li m a g e f p g ai su s e da sm a i nc o n t r o lc h i pt or e a l i z ei m a g ed a t a t r a n s f e r r i n gf r o ms e n d i n gc a r dt or e c e i v i n gc a r da n dl e ds c r e e nd r i v i n gb yr e c e i v i n g c a r d 。 t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g n e db yt h i sp a p e rw o r k sw e l l k e y w o r d ：l e dd i s p l a y a u l 2 0 0f p g al v d s g r a y - g r a d e 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 结! 垫日期望q ：主：掣 。1 i 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 日期丝殳9 ：墨：里 嗍班牛警 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 l e d 显示屏是利用发光二极管点阵模块组成的平面式显示屏。由于它具有发 光效率高、使用寿命长、大视角范围、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等 优点【n 。目前它已成为最具优势的新一代广告宣传和信息传播的载体，广泛用于体 育场馆、市政广场、道路交通、金融证券交易、广告传媒等信息显示领域【2 1 。l e d 显示屏系统作为现代光电技术与计算机技术相结合的产物，带动了一场新的显示 技术的革命，同时也给人们的生活、工作提供了很多便捷和显著的经济效益。 我国的l e d 显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨 干企业。据不完全统计，至2 0 0 7 年底，全国从事l e d 显示屏的各类企业有3 0 0 余家，行业年度销售总额近6 0 1 亿元人民币，年度销售总额在5 0 0 0 万元以上的企 业有3 8 家之多，其销售总额达4 0 8 亿元左右，占行业市场总额的6 7 9 以上。2 0 0 7 年的销售额增长率在4 4 左右【3 】。l e d 显示屏产业培养了一批l e d 显示屏科技队 伍，在全国l e d 显示屏行业的从业人数1 6 3 5 6 人中，科技人员有4 3 4 1 人，将近 3 0 。l e d 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分。 我国l e d 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较 先进的水平。上世纪9 0 年代初即具备了成熟的1 6 级灰度控制技术及无线遥控等 国际先进水平的技术，近年在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级灰度视频控制技术等方 面均有达到国际水平的技术和产品出现，l e d 显示屏控制专用大规模集成电路也 已由国内企业开发生产并得到应用。 1 2 本文研究背景 一个典型的l e d 显示屏通常由l e d 屏体、显示屏控制系统两部分组成【4 j 。l e d 屏体的电路部分由l e d 和恒流驱动芯片组成。随着基础半导体工业的迅猛发展和 二极管原材料以及制作工艺的改进，如今发光二极管在亮度和一致性方面都有了 质的飞跃，此外大电流、高一致性的恒流驱动芯片的使用确保了l e d 屏体的各项 指标走向成熟。控制系统驱动控制l e d 屏体显示，实现l e d 显示屏和视频源的画 面同步映射。控制系统直接决定了l e d 显示屏显示质量，它是l e d 显示屏的核心 和灵魂，好的l e d 大屏控制系统能让l e d 显示屏的色彩还原能力、低灰度效果、 刷新率都大为提高。 目前国内全彩l e d 大屏使用的通用控制系统方案为：计算机、发送卡、接收 卡。使用计算机播放视频文件，发送卡接收计算机显卡输出的图像数据，将图像 2 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 数据按特定格式通过长线传输发送到接收卡，由接收卡驱动l e d 屏体显示。这种 方案使用计算机作为视频源，能管理驱动高分辨率的大型l e d 显示屏。近几年来 小型的l e d 全彩屏由于造价低、布置灵活、管理方便在l e d 显示屏市场中所占的 份额逐年增加，例如公交车站l e d 广告屏，已经在国内部分城市开始试点运行， 取得了很好的效果，颇受广告运营商的青睐。对于小型l e d 显示屏来说使用计算 机作为视频源不合适，首先小型l e d 显示屏分辨率较低，对视频图像源的分辨率 要求不高，采用计算机作为视频源显得资源浪费，增高了系统成本和复杂性。对 于这样的应用场合，目前业内尚无合适的解决方案，全彩屏不论大小均使用通用 的控制系统，仍旧使用计算机作为视频源，有些小型l e d 显示屏对控制系统的体 积有限制，不能安装常见的通用个人计算机，显示屏厂家只能选用成本更高的微 型计算机。因此业内强烈需求一套针对小分辨率全彩屏的低成本、小体积的控制 系统方案。 随着集成电路技术快速发展，目前市面上出现了多款高性能的嵌入式处理器， 这些处理器支持播放多种格式的视频文件，在小分辨率视频文件播放效果和计算 机相当，而价格远远低于计算机。使用嵌入式处理器取代计算机播放视频文件作 为视频源，将能有效的降低控制系统成本，减小系统体积，提高系统稳定性。设 计实现一套嵌入式的全彩屏控制系统符合业内需求，有着很好的市场前景。 1 3 本文研究内容 本文在研究了全彩l e d 显示屏的工作原理后，选用a m d 公司的嵌入式处理 器a u l 2 0 0 实现视频播放，代替计算机，设计了一套新的大屏控制系统，适合于低 成本小分辨率的全彩l e d 显示屏。 本文工作的重点放在控制系统的硬件设计、发送卡与接收卡上f p g a 程序设 计、w i n d o w sc e 操作系统在a u l 2 0 0 上的移植，以及最后的调试工作。其中难点 在于发送卡与接收卡上f p g a 程序设计。 第二章详细研究了l e d 显示屏的工作原理，主要内容包括：l e d 工作原理及 其工作特性、l e d 驱动电路的设计、显示屏灰度的实现、显示屏y 校正原理。 第三章讲述了本文设计的l e d 大屏控制系统的硬件构架。对嵌入式处理器进 行了选型，介绍了其外围电路设计。对发送卡图像数据发送单元和接收卡的电路 设计以及信号流程进行了介绍，详细讲述了这两个单元中单片机和f p g a 程序设 计。 第四章介绍了w i n d o w sc e 操作系统在本系统的嵌入式平台上的移植。对 w i n d o w sc e 的b o o tl o a d e r 的开发和w i n d o w sc e 下驱动的开发进行了介绍。 第五章介绍了大屏控制系统的调试，包括硬件调试以及和控制软件的联调， 第一章绪论 对调试运行的结果进行了分析。 第六章对全文的工作进行了总结，对大屏控制系统的设计提出了展望。 第二章l e d 显示屏工作原理 第二章l e d 显示屏工作原理 2 1l e d 工作原理与特性 l e d ( l i g h te m i t e dd i o d e ) 是在半导体p n 结或其类似的结构通以正向电流 时以高效率发出可见光或近红外光的器件。由于半导体中的电子可以吸收一定能 量的光子而被激发，同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐 射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着光子，这就是 半导体的发光现象。l e d 的工作原理就是利用了半导体的发光原理。l e d 作为构 成大屏的最基本的单元，其工作特性和相关参数尤其重要。在这一节我们主要介 绍l e d 的工作特性和相关参数。 电流电压特性 施加正向电压时，加在p n 结上的电压接近p n 结上的自建电场的电压降时， 电流将急剧增大。因此，驱动l e d 时需要一定的输入功率。为此，通常根据l e d 上串联电阻的额定电流大小来驱动l e d 。其电流电压特性曲线如图2 1 所示： j 雷 一3 0 i 磐 一2 0f 印 匠 一 i 0 | i。 反向电压( v )目 一1 0- 5 ii 厂耋 1 02 0 一一1 正向电压( v ) 一一2 一- 3 图2 1l e d 电流- 电压特性曲线 调制特性 发光二极管可以利用改变注入电流的大小来调制l e d 的发光强度。因此，它 是一种光调制器件。l e d 调制频率的上限f 。与注入少数载流子寿命f 朋c 有关。其 公式为：f 。= 1 ( 2 ，r r 。) 。对于带间直接复合型g a a s 材料的寿命t m c 一般为1 1 0 n s 。因此，使用g a a s 材料的l e d 有可能实现1 6 1 6 0 m h z 的高速调制。但是， 对于使用较多的间接复合型材料的l e d ，为了得到良好的发光特性应尽量提高材 料的寿命丁朋c ，它的调制频率将会降至数百k n z , - 一几m h z 左右。 电流发光亮度特性 6 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 图2 2l e d 电流发光亮度特性曲线 由上述曲线图2 2 可以看出，l e d 的电流发光亮度特性近似为线性关系。 温度特性 l e d 的很多特性都与温度有关，这里只讨论发光强度与温度的关系。g a p 和 g a a s pl e d 发光强度随温度的变化规律如图2 3 所示。图中易为发光电流，厶2 4 。c 为常温下的发光电流。为了获得较强而又稳定的发光强度，应用时需尽量降低和 维护p - n 结的工作温度。 c 图2 3 两种l e d 发光强度随温度变化的规律 对于不同材料的l e d ，其发光光谱范围不同，发光效率也各不同。发光效率 与l e d 的工艺有关，难以求得波长与发光波长的严格关系。对于l e d 显示屏来说， l e d 的发光颜色，光强，发光可视角度，等参数都是很重要的。它们直接影响配 色比，校正矩阵的生成等。这里介绍一下l e d 的四个重要参数【5 】：峰值波长允p ， 第二章l e d 显示屏工作原理 7 主波长五d ，发光强度办，发光半角秒。 人眼接受到的l e d 的光的颜色决定与l e d 的发光光谱。峰值波长和主波长两 个参数就是用来描述l e d 的发光光谱的。峰值波长旯p 就是光谱中峰值最高的波 长。在可视应用方面，在对比度增强上，透过滤波片的l e d 发出的光的总数近似 等于滤波片在五p 处的相对传输率。因此，在五p 处的相对转换率是反差滤波片光 学密度的定性测量。 对于不同的l e d 用到一块显示屏上，人眼不仅可以看出光强的差别，还能看 出颜色的不同。主波长允d 就是通过人眼观察对l e d 的颜色波长作的定量描述。 两个辐射光谱稍微不同的l e d 只要彳d 相同，它们的颜色也就相同。主波长并不 依赖于峰值波长。在概念上，五d 被想象为在光谱的中心波长附近。在全彩l e d 显示屏中，名d 就是选择三色l e d ( 红，绿，蓝】，并决定其配色比需要考虑的主要 参数。 一 j l r l i ， , w q l 、 啪；， 1 i t1 , 1 0 9 旧e n ， i ， t l m i ) 盯 1 f 、 l fj ，1 ， j f f - l 一 、 正， i l f 。l 1 f 、 、 j ljk 1 1 、 ， 7 、 i l、。、 1 - 一一 、 、 一 一l - - 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 0n m7 一 图2 4l e d 发光光谱与视觉敏感曲线 图2 4 中，实线是三色l e d 的发光光谱，虚线表示人眼的明度视觉曲线。每 个发光光谱的波峰对应峰值波长。 发光强度乃是对轴心光输出的度量。测量单位是烛光( c a n d e l a ) ，表示单位立 体角内的光通量。因此，光强与辐射模式无关。每个器件的轴心光强可以用校准 光度计来测量。这个参数也直接影响在显示屏应用中三色l e d 的配色比的选择。 虽然l e d 在每个角度的发光量不同，但一般其比例关系是一定的，所以，在配色 上，在不同角度看显示屏其三色l e d 的配色比是一样的，不同的仅是灰度上稍有 差别。 辐射模式的重要性在于它定义了器件在稍微的偏轴角内的明显的辐射光强变 化。辐射模式定量的描述了一点，即光强是轴心光强一半的偏轴角。这个角定义 为乡必。这个参数对于显示屏颜色配比没有多少贡献，但它可以影响整个显示屏 卜州。 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 从不同视角观看的效果，l e d 灯管的秒大，可视视角大，0 2 小，可视范围就 受限制。所以，在制作l e d 显示屏中，需要考虑具体的应用环境，选择适当的秒 的l e d 。比如，在高速路上，可视视角本身就很小，所以选择秒小的l e d 就可， 这样光分布集中，可视距离远。在商业广告应用中，比如在大型广场周围，因为 希望广场每个角落的地方都可以很好的观看显示屏，所以希望l e d 的秒越大越 好。 2 2l e d 驱动电路 对于全彩显示屏，每一个像素，都由红绿蓝三色l e d 组成，与显示器的显示 原理相同，通过红绿蓝三种颜色不同光强实现图形色彩的还原再现，可以显示出 各种色彩的图像。 实际的l e d 大屏由多个箱体组成，箱体是钢 j # l - 壳，起到固定框架作用。箱 体中包含多个l e d 驱动板，常见的l e d 驱动板的像素行列规格有：8 x 8 、1 6 x 1 6 、 3 2 x 1 6 。通常一个箱体包含驱动板行列规格有：4 x 4 、6 x 4 、8 x 8 等，各个生产厂家 规格不完全相同。 目前灯驱板上多使用恒流驱动芯片驱动l e d ，常见的恒流驱动芯片有：东芝 的6 2 7 2 6 、t i 的t l c 5 9 4 2 、聚积的m b l 5 0 2 8 等，下面以聚积的m b l 5 0 2 8 为例介绍 常见的各类灯驱板的工作原理。 m b l 5 0 2 8 有1 6 个等电流输出通道【6 】，不受负载端电压改变影响，外接电阻可 调整输出电流，可程控电流增益，更利于白平衡校正的应用。输出电流的范围为： 5 - 9 0 m a ，通道间最大差异4 - 3 ，芯片间最大差异4 - 6 。快速的输出电流响应，o e 最小值为2 0 0 n s 。其移位时钟频率高达2 5 m h z 。m b l 5 0 2 8 的功能框图如下： 6 诵6 而o u t 1 5 r e x t l e c l k o e s d l 图2 5 恒流驱动芯片m b l 5 0 2 8 的功能框图 可以简单将其视为1 6 位移位寄存器加上1 6 路电流源，在c l k 的上升沿s d i 第二章l e d 显示屏丁作原理 9 上的数据被移位寄存，当l e 为高时，1 6 位的寄存数据会转入输出锁存器，当l e 为低时，输出数据被锁存。o e 控制电流源的开启与关闭，o e 为高时电流源没有 电流输出。s d i 移位输入的同时，s d o 移位输出，这样多个驱动芯片可以级联。 通过移入不同的数据和控制o e 可以控制各路l e d 的通断以及导通时间，这 样就可以单独控制每像素的亮度和颜色。全彩l e d 大屏显示就是基于这个基本原 理，至于如何将视频输入转换成对恒流芯片精确的控制，这个将在后面的章节进 一步描述。此外还可以通过调节re x t 或是通过控制恒流芯片进入电流调整模式 后输入电流增益来调节输出电流的大小。一般应用中输出电流取2 0 m a 左右，过 大的电流会缩减l e d 的寿命。 l e d 显示屏按应用的场合可以简单分为户外屏和户内屏，户外屏对屏体亮度 要求较高，而户内屏对屏体亮度要求低一些。户外屏多使用静态屏，户内屏多使 用扫描屏。 扫描屏指显示屏的灯驱板每n 行( 通常为4 行、8 行、1 6 行) 发光二极管共 用一组列驱动寄存器，通过行驱动管的分时工作，使得每行l e d 的点亮时间占总 时间的1 n ，只要整屏的刷新频率大于5 0 h z ，利用人眼的视觉暂留效应，就可形 成一幅完整的文字或者画面。这种设计电路结构比较简单，使用的元器件较少， 成本较低，但由于是分时工作，使得每一行l e d 点亮时间减少，从而导致整个l e d 显示屏的亮度下降。这种驱动方式控制的显示屏一般用于室内等对亮度要求较低 的场合。 静态显示屏上的灯驱板上每个l e d 都对应于一个驱动元。与扫描型不同的是， 驱动寄存器无需分时工作，这使得整个显示屏的亮度、刷新率大幅提高。相应的 恒流驱动芯片的使用数量也会增多，成本上升。一般户外屏使用静态扫描方式。 多个级联芯片的输出元连接灯驱板的各个l e d 的方式称为走线方式，目前关 于走线方式业内并没有统一的标准，各个l e d 显示屏厂家走线方式不尽相同，甚 至同一个厂家也会使用多种走线方式。不同的走线方式为统一的大屏控制系统设 计带来了一定的困难。下面是一种静态屏的走线方式示意图。 图2 6 一种静态屏的走线方式示意图 l o 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 2 3 显示屏灰度实现 对予高灰度级l e d 大屏幕显示丽言，亮度的分层( 灰度) 方法是大屏控制器 设计的关健，l e d 亮度的控制通常有两种方法【7 】：驱动电流控制法和驱动脉冲占 空比控制法。 驱动电流控制法，是通过调节l e d 的正向电流得到对亮度的控制。如把l e d 的正向导通电流按一定的步长调节，其发光亮度就可以分为若干个灰度级。但这 种方式要求驱动芯片能精准的输出每一级灰度所对应的电流值。目前对显示屏的 灰度级别要求越来越高，以常见的l 霹位灰度来说，需要的区分的电流级别有2 诲 级，驱动芯片比较难实现。此外改变驱动l e d 的电流会改变l e d 的发光波长，造 成颜色偏移，会对l e d 显示屏的显示效果有很大的影响。这种方案在实际应用中 应用较少。 驱动黻冲占空毙控制法，是指l e d 采用恒流驱动，通过控制单位时闻内l e d 的导通时间来实现灰度级。在一定的显示重复扫描频率下，l e d 的亮度由发光时 间如与扫描周期t 的比如厂r ( 占空比) 进行控制。用占空比调节l e d 的亮度，是发 光能量与入嚣畏暂留作焉两者相结合的产物。在穗同的l e d 正向电流作用下，蠡越 长发光能量越大，只要周期性扫描的速度足够快，人眼发觉不了一个周期内不发 光的部分，只是感觉l e d 的亮度更高。调节占空比就是调节发光时间长度。在数 字电路中，对时间的控制并不困难。实际使用的l e d 显示屏多使用占空比控制法。 下面以1 4 位灰度实现为例说明占空比控制法，更高灰度的实现原理是一样的。 给定显示屏一个箱体中每颗l e d 的8 位灰度值，经反y 校正得到每颗l e d 的 1 4 位的灰度值( 下一节介绍) ，将1 4 位灰度值中的各位以从低位到高位依次取出， 通过驱动葱片移位锁存到l e d 元，然后通过控制驱动芯片的o e 的低电平时闻来 控制当前锁存位所对应的点亮时间。每一位对应的点亮时间与关断时问的占空比 不同。如果点亮时间从低位到高位依次以2 的倍数递增，则合成的点亮时间将有 2 h 种组合。整个过程完成一个积分过程，当这个过程进行的很快时，入眼囱于暂 留效应将感觉不到l e d 的亮度占空比调节，只留下一个灰度的感觉。下面分析与 灰度实现紧密相关的盥示屏刷新率和发光效率之间的关系。 设恒流驱动芯片的移位时钟为细，称采用串行移位方式更新箱体各个像素一 位数据所需的时闻为嚣，称移位更新箱体各个像素一位数据麓过程为完成一个子 场。约定称恒流驱动芯片所能响应的的o e 最短的低电平时间“。设屏幕的刷新率， 也即显示数据帧从显示缓存读出进行屏幕显示更新的频率为万。 下面是一个1 4 位灰度实现中各位的点亮与关断时间对应表【s 】： 第二章l e d 显示屏工作原理 表2 i1 4 位灰度值各位的点亮与关断时间对应表( 一) 数据位 点亮时间关断时间总时间 d 1 31 6 兀o1 6 冗 d 1 28 冗08 足 d i i4 兀o 4 兀 d 1 02 兀02 冗 d 9冗o冗 d 8冗2 冗冗2冗 d 71 s | 4t s t s | 冬冗 d 6兀8冗兀8兀 d 5冗1 6足冗1 6兀 d 4 五3 2 冗冗3 2兀 0 3兀6 4兀兀6 4 五 d 2兀1 2 8兀兀1 2 8乃 d i冗2 5 6冗兀2 5 6兀 d o兀5 1 2兀兀5 1 2足 发光效率为当1 4 位灰度值的每一位都是1 时，上述方法点亮l e d 的时间之 和与总时间的比值。称发光效率为： r = 黼焉一s o = 毳石= i 丁= 2 5 u ( 2 1 ) 影响发光效率的关键因素在于具体从哪一位开始用子场时间兀的整数倍作为 该位的点亮时间权值。设最低位对应的点亮时间为t ，t 的最小值为o e 最短时间 “，一种通用的实现方式描述如下表示： 表2 21 4 位灰度值各位的点亮与关断时间对应表( - - ) 数据位点亮时间关断时间总时间 d 1 38 1 9 2 to 2 1 3 - n t s d 1 24 0 9 6 to2 1 2 - n 冗 d 1 12 0 4 8 t02 1 1 。“t s 0 d n + i2 n + 1t02t s d 行2 “t = 兀o瓦 9 12 n 1t冗2冗 兀 0 3 8ft s 2 n 3 兀 1 2 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 d e 4t 兀2 n 。2兀 d l2t兀2 n 1冗 d ott s 瞪兀 设第n 位对应的亮度时间为一个子场时间疋，即： 足= 2 ”t( 2 2 ) ， 实现所有位的亮度，即一帧图像显示所需要的时间为： 咒疋+ f 2 1 4 一“一1 ) 冗 ( 2 3 ) 屏幕的刷新率为： 1 2 忑币可 q 。4 前面提到t s 为使用串行移位方式更新箱体各个像素一位数据所需的时间，设 级联的恒流驱动芯片共驱动m 行n 列像素。则有： 1 冗= m 。 ( 2 5 ) j l x d 从式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 可以看出刷新率和冗成反比，显然就和砌成正比。 在屏体的结构和走线方式( 影响m 和n ) 以及加确定之后，冗也就确定了，根 据式( 2 4 ) ，n 越大刷新率越高，根据式( 2 2 ) n 的增大必然带来t 的减小，考虑 到t 的最小值为如，1 1 是有最大值的，由此可以得出影响刷新率的关键因素是恒流 芯片能正确响应的最短o e 低电平宽度。 发光效率为点亮l e d 的时间之和与总时间的比值： 1 6 3 8 3 t1 6 3 8 3 t 轳忑巧研= 面万万鬲 1 6 3 8 3 ( 2 - 6 ) ( 儿一1 ) 2 疗+ 2 1 4 从式( 2 6 ) 可以看出发光效率随着n 的增大而减小，而根据式( 2 4 ) 刷新率 是随着n 的增大而增大的，这说明刷新率和发光效率是相互制约的，提高刷新率 的同时必然要牺牲发光效率，反之亦然。设计者可以根据实际应用环境和客户的 要求和对刷新率和发光效率两者之间进行适当的调整。 2 4 显示屏丫校正 r 校正是视频领域常用的重要概念之一。在电视系统传输信号的过程中，如果 要获得逼真的图像质量，就要求从摄像到显像全过程的总传输特性是线性的，即 显像亮度与景物亮度成i d , t 9 。然而c r t 转移特性的线性较差，c r t 显像管的荧 第二章l e d 显示屏工作原理 光粉发光亮度并不与控制信号的电压成正比关系，而是与它的丫次方成正比，丫一 般取为2 2 2 8 。可以表示为幂函数： b = e ，( 2 7 ) 如果把线性视频信号直接送到显像管去控制c r t ，就会引起亮度的非线性失 真，造成相对对比度太大。为了克服这种失真，使视频信号得到正确的还原，必 须将视频信号送到c r t 之前加以修正。实际上，在电视信号发送之前就对视频信 号进行了非线性修正，把信号按指数1 一进行加权，这种处理就是丫修正。 在l e d 显示系统中，从计算机显卡得到的数字图像信号，是对c r t 转移特性 校正后的信号。但是l e d 具有不同于c r t 的发光特性，l e d 驱动是脉宽调制的， 发光亮度与输入信号呈线性关系。所以l e d 大屏控制器必须对输入的视频信号进 行反丫校正，使显示数据与实际亮度数据呈线性，这时l e d 将线性的反映实际景 物亮度。 反丫校正的过程还可以理解为将l e d 显示屏的转移特性人为的修改为与c r t 的非线性转移特性。这样l e d 显示屏就可以直接使用适用于c r t 显示的视频信号。 这个修改过程描述为： b l = b o ， ( 2 8 ) b o 为输入的视频数据，b 1 为反丫校正后的输出数据。这是个幂函数，当丫 1 时输出的等级将减少。例如对于2 5 6 级的灰度输入，当丫= 2 8 时，只有1 8 0 级的灰 度输出，降低了对比度的级数，从而减少了屏幕色彩还原能力。因此，在进行反丫 修正时，通常提高输出信号的位数。设输入的信号为m 位，输出的位数为n 位。 修正过程描述为： b f 2 m f 堡1 7 ( 2 - 9 ) l 2 ” 该幂函数可以通过使用查找表来实现【1 0 1 ，查找表以输入信号作为表的地址， 直接从表中读出输出的数值。查找表的内容可以事先使用软件的算好，发送到大 屏控制系统硬件中，这样可以避免让硬件进行复杂的幂运算。 实际使用中，不同的外界环境也会影响l e d 显示屏的显示效果，要获得更佳 的显示效果，y 值还需根据具体环境进行小范围的调整。 2 5本章小结 本章对l e d 显示屏的工作原理进行了研究。对构成显示屏的基本单元l e d 灯 的工作原理和其与显示屏显示效果相关的参数进行了介绍。对显示屏的恒流驱动 电路及其工作原理进行了介绍。最后重点描述了l e d 显示屏的灰度实现和y 校正， 并对显示屏的一些技术参数之间的关系进行了推导，为后面章节的硬件设计提供 1 4 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 原理支持。 第三章l e d 显示屏控制系统硬件设计 1 5 第三章l e d 显示屏控制系统硬件设计 3 1l e d 显示屏控制系统总体框架 本文探讨设计的l e d 显示屏控制器适用于小型全彩广告屏应用，通常这类显 示屏对分辨率的要求不高，但对系统的显示效果、成本、稳定性有高的要求。例 如本项目的发起单位使用本系统用于其公交车站牌l e d 广告屏，其对控制系统的 要求有： 支持图像分辨率：3 2 0 x 2 4 0 ； 播放存放于本地存储器中的视频文件，要求支持的格式有：m p e g 4 、a v i 、 w m v 、a s f v 。本地存储器为s d 卡、c f 卡、硬盘三种形式可选； 视频播放单元输出图像数据为2 4 位真彩，帧率6 0 h z ； 图像的起始位置在水平方向和垂直方向可调整，调整最小单位为一个像 素； y 校正，1 6 位灰度处理： 实时亮度调节和按时间程控亮度可选； 实现上述需求一种最为简单的方案是使用实验室已有的成熟的通用大屏控制 器系统。采用工控机播放各种视频文件，通过d v i 接口将视频信号传输给发送卡， 发送卡将图像数据打包通过光纤传输到分配板，由分配板将收到的图像数据通过 l v d s 分发给接收卡，接收卡级联驱动灯箱显示。采用通用大屏控制系统的示意框 图如下： 图3 1 通用大屏控制系统示意图 实验室的通用大屏控制系统适用于大分辨率以及要求更为复杂的l e d 显示 屏，对于类似于公交车站牌l e d 广告屏这样的应用来说过于复杂和资源浪费。针 对该应用场合可以对通用的大屏控制系统加以创新和改进。由于要求的显示分辨 率仅为3 2 0 x 2 4 0 ，可以使用嵌入式处理器代替工控机。目前市面有多款嵌入式处理 器足以胜任3 2 0 x 2 4 0 分辨率的各种格式的视频播放，接收卡不需要级联，使用两 块接收卡就可以驱动该分辨率下的l e d 灯箱显示，这样可以省去分配板这一环节， 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 相应的光纤传输也可以省去，由发送卡直接通过两路l v d s 传输图像数据到接收 卡。采用这种方案的大屏系统示意框图如下： 黼 国国圉 十 图3 2 本文改计的人群控制系统框蚓 现在控制系统仅由发送卡和接收卡两部分组成，发送卡分为嵌入式播放部分 和图像数据分发部分，嵌入式播放部分代替工控机。这样设计简化了控制系统， 降低了成本，还提高了稳定性。下面分别介绍发送卡和接收卡的功能和设计。 3 2 嵌入式播放单元设计 3 2 1 嵌入式处理器的选型 嵌入式播放单元是发送卡的一部分，根据本章第一节对控制系统的功能描述， 播放单元主要实现从本地存储器中读取各种格式视频文件播放，为图像数据分发 部分提供2 4 位的数字图像信号以及串口控制信号，还要支持通过网络更新s d 卡 第三章l e d 显示屏控制系统硬件设计 1 7 中的视频文件以及设定各项控制参数。 根据上述要求在嵌入式处理器的选型需要重点关注以下几点： ( 1 ) 音视频的编解码能力，包括是否内嵌硬件c o d e c 等协处理器，是否支持 一些多媒体指令集等等。 ( 2 ) 外围扩展能力如：s d 卡、c f 卡，、i d e 硬盘、是否集成网络m a c 等等。 ( 3 ) 是否支持液晶输出，图像数据的位数，支持的最大分辨率。 ( 4 ) 在性能都能满足的情况下，对开发难度、技术支持、价格也要对比。 基于以上几点考虑，我们将市面上三款主流的嵌入式多媒体处理器进行比较， 从中得出最佳方案。这三款处理器分别是a m d 的a u l 2 0 0 、i n t e l 的p x a 2 7 0 、和 s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 a 0 。下表列出三者的性能比较情况【1 1 】【1 2 】【1 3 1 。 表3 1 三款流行嵌入式处理器性能对比表 a u l 2 0 0p x a 2 7 0s 3 c 2 4 a o 性 内核最高主频架5 0 0 m h zm i p s6 2 4 m h zx s c a l e2 6 6 m h za r 僵9 能构 协处理器 多媒体加速擎，支x s c a l e 核内部集m p e g 一4 编解 m p e g l 2 4 、成乘法累加协处码器 h 2 6 3 、w m v 9 解理器，支m m x 码 指令，加速音视 频处理 外 内存 d d l t 4 0 01 0 4 m h z1 3 3 m h z 围d d r 25 3 3s d r a ms d r a m 扩n a n df l a s h支持8 1 6 b i t 不支持支持8 1 6 b i t 展s d 卡 支持支持支持 能c f 卡 支持支持不支持 力 i d e支持不支持不支持 u s b u s b 2 。0 主从端， u s b l 1 主从u s b l 1 主从端， h i 曲s p e e d 模式 端，f u l ls p e e d f u l ls p e e d 模式 u s bo t g模式u s bo t gu s bo t g 液晶 最高支持2 4 b p p ，最高支1 8 b p p ， 最高支持1 8 b p p ， 2 0 4 8 x 2 0 4 8 t f t 面8 0 0 x 6 0 0 t f t 面6 4 0 x 4 8 0 t f t 面 板板板 由表3 1 可以看出，在处理能力和外围扩展能力方面a u l 2 0 0 和p x a 2 7 0 要比 $ 3 c 2 4 a 0 优异。p x a2 7 0 只支持1 8 位的数字图像输出，a u l 2 0 0 则支持2 4 位的输 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 出，而且a u l 2 0 0 的价格较p x a2 7 0 更具优势。由此我们选择a u l 2 0 0 作为本系统 发送卡嵌入式播放部分的核心处理器。 a u l 2 0 0 是a m d 公司2 0 0 5 年1 月推出的一款嵌入式多媒体处理器，属于 a l c h e m y 系列中的一款，采用m i p s 核心。该处理器支持d d r l 和d d r 2 内存； 集成多媒体加速引擎，不需要外部d s p ，因而可以简化编程环境并减少组件；支 持a e s 1 2 8 硬件资料加密解密。a u l 2 0 0 可以提供多种新一代的功能，例如可扩 展的d v d 质量显示功能，直接从数字录像机传输视频内容的能力，以及更长的电 池使用寿命。在内容被传输到多媒体终端之后，a u l 2 0 0 处理器提供的d v d 质量 的显示功能可以在不影响质量的情况下直接扩展到更大面积的屏幕。该处理器支 持业界标准的媒体格式，包括m p e g l 、m p e g 2 、m p e g 4 、w m v 9 、h 2 6 3 、d i v x 、 w m v 、w a v 、a s f 、a v i 、j p e g 。操作系统支持：w i n d o w sc e 5 0 ，l i n u x2 6 。 a u l 2 0 0 的主要特性包括： 多媒体加速引擎m e d i aa c c e l e r a t i o ne n g i n e ( m a e ) 支持m p e g 2 ( 7 2 0 x 4 8 0 ，10 m b p s ，3 0 f p s ) 。 支持m p e g 4 ( 7 2 0 x 4 8 0 ，8 m b p s ，3 0 f p s ) 。 支持w m v 9 ( 7 2 0 4 8 0 ，2 m b p s ，3 0 f p s ) 。 d d rs d r a m 控制器 支持2 5 或1 8 vd d r l d d r 2 和移动d d r 内存。 支持1 6 3 2 b i t 数据总线，1 4 b i t 地址总线。 支持5 1 2 m b 内存大小。 m i p s 3 2c o r e 支持3 3 3 、4 0 0 和5 0 0 m h z 三种主频。 静态总线控制器 支持1 6 b i t 数据总线接口。 支持p i o 模式、双d m a 数据通道的i d e 接口。 支持n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。 支持从n o rf l a s h 并i n a n df l a s h 启动。 支持c o m p a c tf l a s h 和p c m c i a 。 a e s 硬件加密解密引擎 支持a e s 1 2 8 。 支持e c b ，c b c ，c f b ，o f b 模式。 l c d 控制器 支持最高2 0 4 8 x 2 0 4 8 分辨率。 支持1 2 1 6 1 8 2 4 位t f t 和4 8 1 6 位s t n 液晶，最高支持3 2 位a l p h a r g b 数据缓冲格式。 第三章l e d 显示屏控制系统硬件设计 1 9 支持片上存储空间。 内置外设 两个可编程串行控制器。 支持p s c 配置为a c 9 7 、1 2 s 、s p i 和s m b u s 。 两个s e c u r ed i g i t a l s d i o m m c 控制器。 u s b2 0 主控和从端，支持高速、全速和低速。 支持u s bo t g 。 两个u a r t 。 4 8 个g p i o 。 a u l 2 0 0 在本应用背景下的数据处理流程为：通过网络或u s b 2 0 将多媒体视 频文件从p c 转移到本地存储器( s d 卡、c f 卡或i d e 硬盘) ；由d m a 控制器从 i d e 驱动器，读取多媒体内容，并将压缩视频数据写入到d d r 存储器中；m a e ( m a e 自动执行反量化、直接余弦逆变换、运动补偿、w m v 9 叠加平滑处理和数 据块解体处理、色彩空间变换、缩放及过滤任务) 硬件读取d d r 存储器，将视频 解压成r g b ，并将r g b 显示数据写入到d d r 2 存储器、l c d 控制器从缓冲器中 读取数据显示。l c d 控制器送出的数字图像数据直接接到图像数据分发单元的 f p g a ，另外a u l 2 0 0 通过u a r t 与图像数据分发单元的m c u 通信，发送控制信 息。按照前面提到的功能要求和a u l 2 0 0 的数据手册，本嵌入式播放单元的硬件框 图如下图示： 图3 3嵌入式播放单元硬件框图 3 2 2 内存和启动存储器配置 图 像 数 据 分 发 堕 一 3 6 本嵌入式播放单元的存储单元包括d d r 2s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n d f l a s h 。操作系统和应用软件运行在d d r 2s d r a m 中。n o rf l a s h 是系统的启 嵌入式l e d 全彩屏控制系统设计 动存储器，系统的软件将从此存储器启动，操作系统及应用软件存储于此芯片中。 n a n df l a s h 作为数据存储器。下面具体论述各个器件的选型及与处理器的接口。 a u l 2 0 0 的内存控制器淘汰了低速的s d r a m ，支持d d r d d r 2s d r a m ，这 大大提高了处理器与内存之间的带宽。d d rs d r a m 是在s d r a m 的基础上改进 而来的，它的全称是d o u b l ed a t ar a t es d r a m ，中文名称是双倍速率同步动态随 机存储器。之所以被称为双倍速率同步动态随机存储器，是因为d d r 采用了数据 预取的架构，可以同时预取2 b i t 数据，因此输出数据传输率可以做到内部数据传 输率的2 倍。也就是说，d d r 内存是在每个时钟信号的上升沿和下降沿传输信号， 从而获得了工作频率两倍的数据传输率，所以理论上同速率的d d r 内存与s d r 内存相比，性能要超出一倍。 从外形体积上看d d r 与s d r a m 相比差别并不大，他们具有同样的尺寸和同 样的针脚距离。但d d r 为1 8 4 针脚，比s d r a m 多出了1 6 个管脚，主要包含了 新的控制、时钟、电源和接地等信号。d d r 内存采用的是支持2 5 v 电压的s s t l 2 标准而不是s d r a m 使用的3 3 v 电压的l v t t l 标准。 d d r 2 ( d o u b l ed a t a r a t e2 ) s d r a m 是由j e d e c ( 电子设备工程联合委员会) 开 发的新一代内存技术标准【1 4 】，虽然同是采