甚于ARM和FPGA的全彩獨(dú)立視頻LED系統(tǒng)

3 視頻數(shù)據(jù)分發(fā)
由于控制器采用陣列模式，因此需要對(duì)視頻源提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分發(fā)，將不同行列的數(shù)據(jù)正確地送入不同的控制器。
3.1 數(shù)據(jù)分發(fā)單元方案
本系統(tǒng)中的LED控制器灰度級(jí)高達(dá)3×12位(可顯示多達(dá)64G種顏色)、控制區(qū)域?yàn)?28×128點(diǎn)。系統(tǒng)播放單元提供的數(shù)據(jù)為320×240像素，因此需要分解成6個(gè)LED控制器來控制(見圖1)。因此，需要將PXA255提供的RGB數(shù)據(jù)分3組發(fā)送到這6塊控制器，以FPGA實(shí)現(xiàn)，方案如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)分發(fā)單元方案
LCD接口子模塊接收PXA255 LCD接口的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，將這些輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)校正之后存入SDRAM,然后將該場數(shù)據(jù)分成3 組，每組128行(最后一組只有64行，為了后面控制板的一致性，此處由總線調(diào)度器補(bǔ)零)，同時(shí)發(fā)送，之后由LED顯示控制器處理。
3.2 存儲(chǔ)器分配和總線調(diào)度
為了方便各模塊間的接口，有利于不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)同步，系統(tǒng)的存儲(chǔ)器采用兩級(jí)存儲(chǔ)模式，即SDRAM作為主存儲(chǔ)器，而各模塊也有相應(yīng)FIFO作為Cache, SDRAM具有容量大、帶寬高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn);但是控制比較復(fù)雜，每次讀寫有多個(gè)控制和等待周期。因此為了提高效率，通常采用地址遞增的碎發(fā)讀寫方式，而不能像SRAM那樣隨時(shí)讀取任意地址的數(shù)據(jù)。
本方案采用完全動(dòng)態(tài)的內(nèi)存分配機(jī)制，即每個(gè)模塊請(qǐng)求時(shí)，如果不是同一場數(shù)據(jù)，則可以分配到一塊新的內(nèi)存，而一旦該內(nèi)存的數(shù)據(jù)不再有效，則釋放這塊內(nèi)存。這樣，每塊內(nèi)存都有自己的屬性，標(biāo)志是使用中的內(nèi)存，還是空閑內(nèi)存，以及當(dāng)前內(nèi)存中的數(shù)據(jù)是否在等待被使用的隊(duì)列中，因此內(nèi)存需要分成3塊。其中一塊存儲(chǔ)逐點(diǎn)校正參數(shù)，一塊存儲(chǔ)當(dāng)前場數(shù)據(jù)，另一塊存儲(chǔ)上一場數(shù)據(jù)(即正在發(fā)送的數(shù)據(jù))。這就要求在一個(gè)場同步周期內(nèi)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，而這一要求是完全可以達(dá)到的。
總線調(diào)度是本模塊的核心部分，必須精確計(jì)算總線帶寬的占用情況，確定各部分FIFO的深度，以保證各個(gè)FIFO不會(huì)出現(xiàn)溢出或讀空的現(xiàn)象。
總線調(diào)度器需要調(diào)度3塊存儲(chǔ)器，還需要為每一個(gè)模塊維護(hù)一個(gè)偏移地址的首地址，以及一個(gè)偏移地址計(jì)數(shù)寄存器。為了便于計(jì)算偏移地址，用SDRAM物理上的兩行存儲(chǔ)一行的數(shù)據(jù)，而將多余部分空余。
總線調(diào)度器的仲裁算法為:逐點(diǎn)校正參數(shù)與校正后數(shù)據(jù)寫人SDRAM的優(yōu)先級(jí)一樣，采用先來先得的方式占用總線，分別由各自FIFO的指針來觸發(fā)總線占用。一場數(shù)據(jù)寫入SDRAM完畢之后，開始發(fā)送。需要依次讀出第n,n+ 128,n+ 256行的數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO0,1,2，等待數(shù)據(jù)發(fā)送單元啟動(dòng)發(fā)送。

3.3 LCD接口和逐點(diǎn)校正
PXA255 的LCD接口配置為smart panel形式，具體時(shí)序關(guān)系可參考PXA255的手冊(cè)。FPGA根據(jù)這些時(shí)序關(guān)系，將數(shù)據(jù)讀入，進(jìn)行下一步的處理。
由于在生產(chǎn)過程中LED管的參數(shù)不可能完全一致，因此為了獲得良好的圖像顯示效果，必須對(duì)LED管進(jìn)行篩選。這也是LED屏價(jià)格昂貴的一個(gè)重要原因。
采用逐點(diǎn)校正技術(shù)，可逐點(diǎn)調(diào)節(jié)LED的亮度，將顯示屏亮度的一致性提高一個(gè)數(shù)量等級(jí)，從而可以使采購廠商放寬LED在亮度和顏色方面的要求，LED采購的成本也隨之大大降低。此外，系統(tǒng)采用的逐點(diǎn)校正技術(shù)，可以在線修改校正參數(shù)，使得LED屏在投入運(yùn)營之后也可以修改校正參數(shù)，補(bǔ)償由于LED管老化對(duì)顯示效果的影響，提高LED屏的使用壽命。因此，逐點(diǎn)校正技術(shù)使LED模塊作為室內(nèi)外全彩色顯示屏的基本元件成為理想方案。
逐點(diǎn)校正參數(shù)存于SD卡中，在系統(tǒng)上電之后，ARM首先將該數(shù)據(jù)通過LCD接口(此時(shí)配置為GPIO)傳送到FPGA, FPGA將其存入SDRAM 中。此后，即可對(duì)LCD接口輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

3.4 數(shù)據(jù)發(fā)送
在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，每行數(shù)據(jù)作為1幀，加入特定的幀頭之后開始發(fā)送。為了減少總線數(shù)量，采用串行總線形式，每組信號(hào)共有4路，分別是源同步時(shí)鐘和RGB三基色的串行數(shù)據(jù)。信號(hào)均以LVDS(Low Voltage Differential Signal，低電壓差分信號(hào))的形式傳輸。LVDS采用差分方式傳送數(shù)據(jù)，有比單端傳輸更強(qiáng)的共模噪聲抑制能力，可實(shí)現(xiàn)長距離、高速率和低功耗的傳輸。Altera公司的Cyclone II系列FPGA可以方便地通過I/O配置獲得LVDS的能力。
發(fā)送幀頭由4字節(jié)的同步頭+數(shù)據(jù)當(dāng)前行號(hào)+ID號(hào)組成。由于圖像的連續(xù)像素值的相關(guān)性比較高，因此使用偽隨機(jī)碼作為同步頭，其同步性能比較可靠。當(dāng)前行號(hào)用于控制器判斷是否出現(xiàn)丟幀，并根據(jù)當(dāng)前的行號(hào)決定當(dāng)前數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)地址。由于每一組數(shù)據(jù)實(shí)際上由兩個(gè)控制器分別處理(見圖1)，所以需要判斷標(biāo)志來截取不同的數(shù)據(jù)部分。ID號(hào)即是不同控制器截取某行中不同列數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)ID為零。