LED显示屏控制系统介绍

LED显示屏控制系统介绍

LED显示屏控制系统引言

目前显示屏按数据的传输方式主要有两类：一类是采用与计算机显示同一内容的实时视频屏；另一类为通过USB、以太网等通信手段把显示内容发给显示屏的独立视频源显示屏，若采用无线通信方式，还可以随时更新显示内容，灵活性高。此外，用一套嵌入式系统取代计算机来提供视频源，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。因此，独立视频源LED显示系统的需求越来越大。

本系统采用ARM+FPGA的架构，充分利用了ARM的超强处理能力和丰富的接口，实现真正的网络远程操作，因此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。

1 独立视频LED显示屏控制系统

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。分辨率指的是控制器能控制的LED管的数量，灰度级是对颜色的分辨率，而亮度高则要求每个灰度级的显示时间长。显然，这3个指标都会使得场扫描频率大幅度降低，因此需要在不同的场合对这些指标进行适当的

取舍。通常灰度级、亮度和场扫描频率由单个控制器决定，而分辨率可以通过控制器阵列的方式得到很大的提高。这样，每个控制器的灰度和亮度很好，场扫描

频率也适当，再通过控制器阵列的形式，实现大的控制面积，即可实现颜色细腻的全彩色超大屏幕的LED显示控制器。

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。为了实现大屏幕、全彩色、高场频，本系统采用控制器阵列模式，如图1所示。

系统可以通过网络接口(以太网接口)由网络服务器端更新本地的数据，视频播放部分则通过对该数据进行解码，获得RGB格式的视频流。再通过数据分发单元，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。

2 LED显示屏控制系统通信接口和视频播放单元

本系统的通信接口和视频播放部分由ARM+uClinux实现。ARM(Advanced RISC Machine)是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC微处理器体系结构，设计目标是实现微型化、低功耗、高性能的微处理器。Linux作为一种稳定高效的开放源码式操作系统，在各个领域都得到了广泛的应用，而uClinux则是专门针对微控制领域而设计的Linux系统，具有可裁减、内核小、完善的网络接口协议和接口、优秀的文件系统以及丰富的开源资源等优点，正被越来越多的嵌入式系统采纳。系统中使用Intel XScale系列的PXA255芯片，与ARM v5TE 指令集兼容，沿用了ARM的内存管理、中断处理等机制，并在此基础上做了一些扩展，如DMA控制器、LCD控制器等。由于ARM9的处理能力有限，目前只用其播放320×240像素的视频。

系统视频播放的数据来自于系统中的SD存储卡(Secure Digital Memory Card)。更新SD卡的数据有两种方式：一种是用计算机更新SD卡的数据；另一种是通过网络接收服务器的数据，直接由ARM更新SD卡。此外，播放器也可以直接播放网络传送的MPEG-4格式数据。由于XScale未提供物理层接口，若想实现网络功能需外接一片物理层芯片。本系统选用SMSC公司的高性能100M以太网控制器LAN9118。

3 LED显示屏控制系统视频数据分发

由于控制器采用阵列模式，因此需要对视频源提供的数据进行分发，将不同行列的数据正确地送入不同的控制器。

3.1 数据分发单元方案

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)、控制区域为128×128点。系统播放单元提供的数据为320×240像素，因此需要分解成6个LED控制器来控制(见图1)。因此，需要将PXA255提供的RGB数据分3组发送到这6块控制器，以FPGA实现，方案如图2所示。

LCD接口子模块接收PXA255 LCD接口的数据和控制信号，将这些输入的数据进行逐点校正之后存入SDRAM。然后将该场数据分成3组，每组128行(最后一组只有64行，为了后面控制板的一致性，此处由总线调度器补零)，同时发送，之后由LED显示控制器处理。

3.2 存储器分配和总线调度

为了方便各模块间的接口，有利于不同时钟域的数据同步，系统的存储器采用两级存储模式，即SDRAM作为主存储器，而各模块也有相应FIFO作为Cache。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，标志是使用中的内存，还是空闲内存，以及当前内存中的数据是否在等待被使用的队列中，因此内存需要分成3块。其中一块存储逐点校正参数，一块存储当前场数据，另一块存储上一场数据(即正在发送的数据)。这就要求在一个场同步周期内需要将数据发送完毕，而这一要求是完全可以达到的。

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，确定各部分FIFO的深度，以保证各个FIFO不会出现溢出或读空的现象。

总线调度器需要调度3块存储器，还需要为每一个模块维护一个偏移地址的首地址，以及一个偏移地址计数寄存器。为了便于计算偏移地址，用SDRAM物理上的两行存储一行的数据，而将多余部分空余。

总线调度器的仲裁算法为：逐点校正参数与校正后数据写入SDRAM的优先级一样，采用先来先得的方式占用总线，分别由各自FIFO的指针来触发总线占用。一场数据写入SDRAM完毕之后，开始发送。需要依次读出第n、n+128、

n+256行的数据给数据发送FIFO

0、1、2，等待数据发送单元启动发送。

3.3 LCD接口和逐点校正

PXA255的LCD接口配置为smart panel形式，具体时序关系可参考

PXA255的手册。FPGA根据这些时序关系，将数据读入，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。这也是LED屏价格昂贵的一个重要原因。

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SD卡中，在系统上电之后，ARM首先将该数据通过LCD 接口(此时配置为GPIO)传送到FPGA，FPGA将其存入SDRAM中。此后，即可对LCD接口输入的数据进行校正。

3.4 LED显示屏控制系统数据发送

在数据发送时，每行数据作为1帧，加入特定的帧头之后开始发送。为了减少总线数量，采用串行总线形式，每组信号共有4路，分别是源同步时钟和RGB 三基色的串行数据。信号均以LVDS(Low Voltage Differential Signal，低电压差

分信号)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。Altera公司的Cyclone II系列FPGA可以方便地通过I／O配置获得LVDS的能力。

发送帧头由4字节的同步头+数据当前行号+ID号组成。由于图像的连续像素值的相关性比较高，因此使用伪随机码作为同步头，其同步性能比较可靠。当前行号用于控制器判断是否出现丢帧，并根据当前的行号决定当前数据的存储地址。由于每一组数据实际上由两个控制器分别处理(见图1)，所以需要判断标志来截取不同的数据部分。ID号即是不同控制器截取某行中不同列数的标准，数据在发送时ID为零。

4 全彩色LED显示控制器

全彩色LED显示控制器负责接收、转换和处理串入的RGB三基色信号，以一定的规律和方式将信号传送到LED显示屏上显示。控制器直接决定了显示屏的显示效果，也决定了LED显示屏性能的优劣。控制器的结构如图3所示。

控制器的架构与数据分发类似，也采用二级存储模式，主要有数据接收、Gamma校正和交织、扫描控制输出以及总线调度和SDRAM控制四部分。

4.1 存储器分配和总线调度

由于数据输入场频与LED扫描场频通常不能成整数倍关系，可能出现输入一场数据结束，该场数据的处理结果(Gamma校正和交织后)需要写入SDRAM，而此时扫描一场没有结束，即正在读的那个区域不能覆盖，而上一场的数据还没有显示也不能覆盖，因此交织地写入(即扫描的读出)需要开辟三块分区。

总线仲裁算法为：控制输出模块和写入模块采用先来先得的算法，而校正和交织过程的读写，则优先级最低，可以在前面二者申请时被挂起，只有当前二者不再需要总线时，才可以分配到总线的使用权。

4.2 数据接收

数据接收单元除了需要同步判决、串并转换之外，还要确定一行中哪些数据需要本控制器处理。控制器截取每行中第128*ID～128*(ID+1)-1列的数据，同时将ID号加1，其他数据原样输出，送给下一级控制器。这样的控制方法比常用的拨码开关法更加灵活可靠。

4.3 Gamma校正和交织

Gamma校正可以使LED显示效果更接近于人眼的生理特性，而且由于PXA255输出的是8位数据，系统需要将其校正为12位，大大提高了显示的对比度。

由于LED显示控制器采用逐位显示的方法，输入的数据与输出到LED显示屏上的数据组织形式不一样：前者按像素点排列，而后者则按像素数值的不同位数组织。

4.4 控制输出

12位数据显示的时间分别为(64、32、16、8、4、2、1、1／2、1／4、1／8、1／16、1／32)*128*Tsclk，其中Tsclk为串行移位时钟。交织之后，不同权重的数据显示信号显示有效时间不同，即可达到显示的效果。

总线调度器将交织后的数据写入本模块的FIFO。由模块内部生成读取该FIFO的控制信号，并对其进行计数。模块内需要对移位个数及权重进行计数，以决定发出锁存信号及显示信号的有效时间。

5 结论

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(320×240点)，可用于户外广播级应用。该设

计通过逐点调节亮度，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，特别在低亮度区可使图像完美再现，而Gamma校正则使LED显示屏所进行的亮度变换更符合人眼的生理特点。此外，除接收来自ARM的信号外，还可通过HDMI接口接收来自机顶盒的数据信号，有广阔的市场应用前景。

產業发展规划

為促進產業實現穩定發展，積極推動產業向高端延伸，2009年下半年及今後一段時期，深圳市將完善八大產業鏈構建現代產業體系。這八大產業鏈包括通信產業鏈、計算機及外設產業鏈、軟件產業鏈、數字視聽產業鏈、集成電路產業鏈、新型平板顯示產業鏈、第三代移動通信產業鏈以及LED產業鏈。

據瞭解，在完善LED產業鏈方面，將重點發展GaN基藍光和綠光外延片以及InGaAlP紅光和黃光外延片及芯片、中高端封裝產品、全彩顯示屏、彩屏幕牆、太陽能LED、特種工作照明燈具、景觀照明燈、汽車照明燈、全彩背光源、大尺寸LCD背光源等中高端應用產品，做大做強從外延、芯片、封裝到應用的較為完整的半導體照明產業鏈。在不斷完善產業創新基礎，進一步提升企業自主創新水平，加快培育一批創新能力強、成長性好的企業。

李白写的“举头望明月，低头思故乡”,看月亮，必须得抬头看，不然你看见的月只是水中月，而思故乡，必须得低头，看着脚下的土地，土地连结深情，传递的思念感应才会自然。可见，李白对抬头和低头，有看似经典的认识，只是李白的脖颈不听使唤，该低头时却抬头，该抬头时却低头，搞得李白一辈子光碰头，有时被摔的鼻青脸肿的，但这时的李白爱喝酒，喝了酒就疯疯癫癫的，于是，李白就借着痛感籍着癫意把一肚子的酒吐出来，成就了“君不见黄河之水天上来……”的诗句。

元萨都剌《北人冢上》诗：“低头下拜襟尽血，行路人情为惨切。”可见，古人从心里是不喜欢低头的，喜欢的是抬头。

记得我以前在学校操场里喜欢低头，体育老师说我是一个没有自信的学生，还说我是一个没有阳光心态的人。记得体育老师说过这样的一句话：“瓜子之所以长的粒粒饱满，那是因为向日葵始终抬头向着太阳。”

记得我第一次去应聘工作，应聘的工作人员看我低着头，直接就叫我回去了。

那我就抬起头吧，进家门的时候，由于我抬起头，我的头一下子就被碰出了血来，搞得我在家里好几天就不想出门的。

我走下坡的时候，依然是抬起头，这样显得自己有自信，冷不防，我一连向下栽了好几个跟斗，摔的我头破血流的。

我的头招谁惹谁了？干嘛都跟我的头过不去呢？

我究竟是该抬头做人还是该低头做人呢？

有人说走下坡路就必须低头，言下之意就是人走背时运的时候要低着头，就像罪犯低着头接受审判一样。那当年毛泽东同志遭到王明等人的排挤时干嘛就不低头呢？那当年红军第五次反围剿失败后被迫长征干嘛就不低头举起手来呢？那赵一曼和江姐被敌人抓去明知只有无尽的酷刑干嘛就不低头屈服呢？那当年的灾荒岁月里全中国人民饿的吃粗糠啃树皮干嘛就不低头消沉下去呢？那有人第九次高考依然名落孙山干嘛就不低头认命了呢？有人写文章写了一百篇写了一千零一夜依然是没有读者依然是没有一个读者看好时干嘛就不低头呢？李嘉诚当初做生意是做一次亏一次时干嘛就不低头呢？你、我、他经过了这么多的困苦折磨干嘛还要坚强的活下去呢？我们的人类和整个社会经常就处在风雨飘摇里干嘛还要坚定不移向前进呢？

人的一生，几乎有过半的时候是在走下坡路，低着头走下坡路确实是不摔跟斗，但低着头只能看见脚下的一方寸路，却看不见天上的太阳和高空的明月，特别是最容易忽视身边的风景。

有人说走上坡路低着头最好，言下之意就是人走好运的时候要低调要谦虚谨慎。确实低着头走上坡路由于身体前倾走起路来更有劲而且更能看清脚下的路，但太阳会照在低头者的脸上吗？天上的神仙们真的就喜欢这些整天低着头的人吗？你看，孙悟空低着头只能做弼马温，但孙悟空抬起头来就成了齐天大圣；你看，刘邦把头低着，低了48年，只能是个混混，但刘邦把头一抬起来，三五年之后就开创了汉朝；你看，朱元璋低着头只能做乞丐，因为抬起头来是讨不到饭的，但朱元璋后来把头索性抬起来，结果就建立了明朝；当年美国有核武器，而中国没有，但毛泽东领导的中国人民就是不低头，中国人民就是要把头抬起来，抬起头的中国人民没有多久也有了属于自己的核武器……

关于低头和抬头，各有各的哲学。

爱低头的人，看似是低调的人和谦虚谨慎的人，实则是只看着自己眼前的人，窃喜着眼前的平安和太阳慷慨的一点光辉。

爱抬头的人，看似昂扬向上心里充满了自信，实则是脸上洋溢着阳光脑后却是布满了阴暗，即是摔了跟斗手里依然抓着一抹明媚。

有人说该低头时就低头，该抬头时就抬头，那敢问，什么时候什么情况下才该低头或才该抬头呢？倘若天上真的掉下了冰炮，你抬头被砸着，你低头还是会被砸着，只不过抬头是冰炮砸在了脸上，低头是冰炮砸在了头顶而已。只有做缩头乌龟，冰炮才只能砸在护身的壳壳上。

有人信仰低头，这也不错，低头自有低头的妙处。自然，你的人生就是低头人生，所谓中庸哲学，大概就是这个道理。

有人信仰抬头，这也很好，抬头自有抬头的灿烂。自然，你的人生就是抬头人生，所谓“生当作人杰，死也为鬼雄”大概是这个意思。

有人信仰一会儿低头一会儿抬头，这也是一个妙。一会儿低头一会儿抬头，脖颈得到了锻炼，因之肌肉和心理机能就更加的发达，展现给别人的是一会儿方型的一会儿圆型的，所谓圆滑，大概就是如此。

没有谁对谁错，也不存在谁高尚和谁卑微的问题，各有各的哲学，这就是多样的人和人的多样性。其实，不是人世太复杂，而是你只顾着自己的低头或抬头而不懂别人为什么会低头和抬头？

人的脑袋瓜不过三斤半，由于低头和抬头的缘故，造成有的人头成了“巨头”,而有的人头却成了“狗头”,还要来一点狗血喷头……唉，看来抬头与低头之间的学问确实太高深了，像我这样的孺子是搞不明白的，只能是舔一舔皮毛而已

写作时，只与写作为伴，就能听到内心的声音，飘忽的灵感也能捕捉，笔下就有了属于自己的文字和思想。

就我为例，大学期间，常一个人钻在图书馆，早进晚出，看完一本书，常有感悟到笔尖，亦能有几篇散文杂评登报。毕业后，到西双版纳工作，与内心的对话少之又少，每日工作之余，与友聚餐、喝酒、烧烤，不到凌晨绝不不回家，回家即一头醉晕埋进被子，日复一日，丧失了与灵魂独处的时间，自然再无创作灵感。

写作的人，几乎都远离正常人生活，也不遵守惯常的生活秩序。安妮宝贝曾说，只有死去的繁华，能让我安静，所以，她常在黑暗中敲打键盘。太温馨的生活，亦会使写作者陷于温柔之乡，懒得思考，更懒得动笔，路遥在写《平凡的世界》时，因为忽略家，忽略妻女，造成与林达的婚姻不睦，这或许不能怨路遥，因为他是个真正的写作者，是写作对孤独的需要，离间了他们的感情。

张爱玲，荒原上的孤独者，以23岁的人生阅历对人性作出冷酷、深邃、老道的剖析，生逢苍凉时代的孤独，成就了她文坛奇女的地位。一代文学大师川端康成亦是孤独成就了他，出生不久，父母去世，7岁，祖母去世，10岁，姐姐去世，14岁，祖父去世，孤独是他500多篇小说永远的笔调，最终，他也选择在孤独中毁灭了自己。诺贝尔文学奖获得者莫言说，在我少年时期，吃不饱、穿不暖，牵着一头牛或者羊，在四面看不到人的荒凉土地上孤独地生存。饥饿和孤独是我写作的源泉。

所以说，很多人不是写不出来东西，只是缺乏独处的机会，一旦自处，孤独，下笔，无需微言大义，只需直言生活，定会渐渐文思汹涌，像有神魔推动。这种深入骨髓的孤独，能让人打开灵感的黑匣子，在里面不能看到多少美好东西，却能自由的在一片完全属于自己内在精神空间翱翔，在孤独中煎熬自己、消耗自己的过程，亦生脱胎换骨升华自己的过程。孤独的写作，让文学变得更具魅力。

所以，从现在开始，告别与日同醉，除去浮华，静下心来，提起笔与自己谈心，与孤独相伴，这是个决绝的行动，但是伟大作品都来自于孤独的写作，出自于决绝的人。