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基于网口传输的LED同步屏控制系统及其FPGA实现

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l024x768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。

图2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。


图4 LED灰度扫描输出信号仿真图

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。
作者:刘丽莎,朱桦,韩秀清


1 条评论 RS232/485串口数据采集存储器--一款可以替代PC机的串口数据记录仪(SD卡存储)qujian112 在 星期二, 11/20/2012 - 15:21 发表。

RS232/485串口数据采集存储器--一款可以替代PC机的串口数据记录仪(SD卡存储)
     LCW-S03数据存储器是一种超大容量的数据存储设备。采用嵌入式系统控制芯片,将串口RS-232/485输入的数据透明存储在SD卡中。    该数据存储器采用模块化设计,带时钟功能,以当前的年月日创建文件夹名称,不需要用户对现有设备进行改造实现数据实时存储,是一款可以替代PC机的串口数据记录仪。可选择内置锂电池配置,适用野外和移动状态下的数据存储环境。该产品已广泛使用于系统集成设备、自动化采集设备、高校、研究所重要实验装置“黑匣子”,是具有高度集成,高可靠性,低成本优势的数据存储产品。
产品特点
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应用范围:
广泛应用于石油化工、电力监控、环境监测、城市自来水管网监测、自然灾害监测、海洋监测数据记录、气象数据采集、水文数据记录、GPS观测数据采集、遥感测量、轨迹记录、车载黑匣子、工业监控现场数据、各种传感器数据记录等重要数据后处理应用。常用的搭配设备有流量计、数控机床PLC控制器、电梯控制、空气压缩机控制、各种GPS数据记录、温湿度传感器、雨量计、液位计、压力传感器、角度仪、陀螺仪、测距仪、声纳设备、测深设备、船载雷达等。
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