LED顯示屏市場概況

全彩LED顯示被普遍應用於戶外及室內的大型廣告
、舞台背景等場合（大多是同步顯示），隨著價格的下降
，全彩LED顯示已經開始被使用於門楣廣告（異步顯示）。當前門楣廣告一般采用單雙色LED顯示，市場需求大。與單雙L E D相比，全彩LED能夠展現更豐富的內容
，如真彩圖片、動畫
、視頻等
，全彩LED顯示將是門楣廣告屏的發展趨勢。

市場流行方案的介紹

目前市場上比較流行的方案有以下幾種：

①ARM-Cortex-A8+FPGA解決方案

該方案的特點：功能齊全，其中ARM Cortex-A8可以實現對主流視頻格式的解碼，但是方案成本偏高，對於門楣廣告這種小屏顯示的使用場景來說有些浪費。方案框圖如圖1所示。
②ARM Cortex-M4解決方案

該方案的特點： 結構簡單，但是由於沒有使用FPGA ，ARMCortex-M4的實時性及速度無法滿足全彩LED顯示的控製要求，所以隻能實現“七彩”顯示，而不能實現真正意義上的全彩顯示。方案框圖如圖2所示。
③FPGA解決方案

該方案是同步全彩控製係統的一個衍生產品
，可以實現簡單的錄製，功能相對單一。方案框圖如圖3所示。


京微雅格SoC FPGA方案

京微雅格CME-M5係列FPGA集成了增強型8051MCU

，兼容標準8051指令集
，12倍於標準8051的MIPS，頻率最高可達200MHz，支持高達8MB數據及代碼空間擴展，支持硬件32/16-bit MDU（Multiplication Division Unit）
，128KB SPRAM
，可作為8051的代碼或數據存儲器
，集成片上調試係統OCDS，支持JTAG在線調試；外設有3個16bit定時器，1個16bit看門狗，1個I2C接口
，1個SPI接口，2個USART接口，1個RTC實時時鍾，8通道DMA；支持STOP，IDLE電源管理模式。支持基於MSS（Microcontroller Subsystem）的係統編程、係統多配置、係統在線更新、動態頻率切換等特性。CME-M5內部結構框圖見圖4。

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在本設計中， 增強型8051 實現以太網TCP/IP協議棧
，實現對NandFlash/SD卡的訪問
，顯示特效處理，並調度FPGA功能模塊實現LED顯示。FPGA則負責LED刷新控製，其功能包含：灰度控製、刷新率控製、亮度控製、伽馬校正等。PC提供人機交互，讓用戶通過上位機軟件編輯“節目”，即需要最終在LED屏上顯示的內容，包含文本
、圖片、視頻以及顯示特效

，例如百葉窗、流水等；最後上位機軟件把“節目”轉換成特定的數據文件通過以太網傳送給CME-M5，由CME-M5把接收到的數據文件寫入NandFlash/SD卡。係統框圖如圖5所示。

CME-M5 FPGA功能描述

伽馬校正

根據LED的響應特性，需要對輸入的8位灰度值進行伽馬校正，使之映射到14～16位灰度值，這部分功能是FPGA通過查表方式的實現的。伽馬校正的參數可以通過PC上位機進行修改。

灰度控製

下麵以8位/256 級灰度作為例子，闡述LED灰度控製原理。對於RGB三基色LED顯示
，256級灰度意味著R、G、B各使用8位來表示灰度值(2^8=256
，即256級灰度)。每顆LED有獨立的R
、G
、B三個信號供FPGA分別控製。全彩LED驅動芯片通常分為自帶PWM的恒流源以及不帶PWM的恒流源。接下來以不帶PWM的驅動芯片MBI5024為例介紹灰度控製原理。MBI5024的內部結構框圖見圖6。

FPGA向SDI送入每個像素點R/G/B灰度值，OUT0～OUT15連接LED的R/G/B，OEn控製對應每位灰度值點亮LED時間的長短。8位/256級灰度控製，通常使用19場方式，假設子場的周期為T，那麼一個刷新周期的總時間為19T。19場被分為8份
，時間分別為8T，4T，2T，1T，1T
，1T，1T

，1T；OEn有效時間分別為8T，4T
，2T
，1T，1/2T，1/4T，1/8T
，1/16T。

以下介紹如何對R 進行灰度控製，G，B的灰度控製原理是類似的。8T對應8位灰度值的最高位R[7]，其刷新的時間長度為8T；4T對應8位灰度值的次高位R[6]
，刷新的時間長度為4T…1/16T對應最低位R[0]，刷新的時間長度為1/16T。如圖7所示，R[7]在T0周期送出
，R[6]在T1周期送出

，R[5]在T2周期送出…R[0]在T7周期送出。

OUT0～OUT15分別連接第0顆至第15顆LED的R。使用Ri[j]表示第i顆LED的R灰度值的第j位，以下是操作流程：

1 . SDI 移入{R0[7],R1[7],R2[7],R3[7],R4[7],R5[7],R6[7],R7[7], R8[7] ,R9[7] ,R10[7],R11[7],R12[7],R13[7],R14[7],R15[7]}；R15[7]先移入，R0[7]最後移入
；
2. 使能LE信號對R0[7]～R15[7]鎖存，使能OEn信號，保持時間為8T（即時序圖中的T0周期）
；在此過程中，SDI移入R0[6]～R15[6]灰度數據；
3. 使能LE信號對R0[6]～R15[6]鎖存

，使能OEn信號

，保持時間為4T（即時序圖中的T1周期）；在此過程中，SDI移入並鎖存R0[5]～R15[5]灰度數據；
4. ……
5. 使能LE信號對R0[3]～R15[3]鎖存，使能OEn信號，保持時間為1/2T （ 即時序圖中的T4 周期） ，1/2T後把OE_n信號置為無效；在此過程中

，SDI移入並鎖存R0[2]～R15[2]灰度數據；
6. ……
7. 使能LE信號對R0[0]～R15[0]鎖存，使能OEn信號，保持時間為1/16T（即時序圖中的T7周期），之後把OEn信號置為無效；至此

，完成一個灰度值顯示的刷新周期。
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需要說明的是，以上僅以16顆LED作為例子，實際應用中會級聯多個MBI5024芯片

，即上一級MBI5024芯片的SDO連接至下一級MBI5024的SDI
，當有N個MBI5024級聯的，相當於一個N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上麵介紹的7個步驟類似。

在一個灰度刷新周期內（19T），OE總有效時間為：8T+4T+2T+1T+1/2T+1/4T+1/8T+1/16T=15.9375T，亮度的利用率為：15.9375T/(19T)*100%=83.88%，也就是亮度損失為1-83.88%=16.12%。

對於16位/65536級灰度
，常用27 子場方式：8T
，4T，2T，T
，T
，T
，T，T
，T
，T，T，T
，T，T
，T

，T

；OE_n 有效時間為8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T
，1/1 6T，1/32T，1/6 4T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T
，1/4096T；亮度利用率為：15.999755859375T/(27T)*100%=59.26%，亮度損失為1- 59.26%=40.74%。

使用不同數量的子場，亮度的利用率是不同的
，例如：16位/65536級灰度也可以采用42子場方式
，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T
，T
，T，T
，T
，T
，T，T，T，T；OEn有效時間為16T，8T，4T，2T，T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T
，1/32T，1/64T，1/128T，1/256T，1/512T，1/1024T，1/2048T，亮度利用率為：31.99951171875T/(42T)*100%=59.26%=76.19%

，亮度損失為1-76.19%= 23.81%。

刷新率驅動芯片的數據時鍾頻率、LED屏的掃描方式（靜態～16掃）以及尋址數固定以後
，子場的時間T也就隨之定下來，以16位/65536級灰度為例，如果采用27子場的方式，刷新率約為：F=1/(27*T)
，最小OE_n脈寬為T/4096；如果采用42子場的方式，刷新率約為：F=1/(42*T)
，最小OE_n脈寬為T/2048。考慮到其他時間開銷
，實際的刷新率F會比以上估算值略低。

可以看出在子場時間T一定的情況下，後者（42T）的刷新率比前者低（27T）

，但是亮度的利用率比前者高，OE_n最小脈寬比前者長（對於驅動芯片來說，OE_n的脈寬最小值是有限製的
，當脈寬太窄時，驅動芯片將無法識別），所以，具體設計需根據實際情況做權衡。為了提高視覺刷新率（Visual Refresh Rate）
，可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期內；對(dui)動(dong)態(tai)掃(sao)描(miao)屏(ping)，還(hai)可(ke)以(yi)把(ba)實(shi)現(xian)灰(hui)度(du)值(zhi)的(de)所(suo)有(you)子(zi)場(chang)分(fen)割(ge)成(cheng)多(duo)份(fen)
，在(zai)刷(shua)新(xin)每(mei)一(yi)行(xing)時(shi)，隻(zhi)刷(shua)新(xin)一(yi)部(bu)分(fen)灰(hui)度(du)，加(jia)快(kuai)一(yi)行(xing)到(dao)下(xia)一(yi)行(xing)的(de)切(qie)換(huan)速(su)度(du)，等(deng)所(suo)有(you)行(xing)都(dou)刷(shua)新(xin)完(wan)一(yi)部(bu)分(fen)灰(hui)度(du)之(zhi)後(hou)，再(zai)接(jie)著(zhe)刷(shua)新(xin)其(qi)他(ta)部(bu)分(fen)灰(hui)度(du)，直(zhi)到(dao)灰(hui)度(du)值(zhi)被(bei)完(wan)整(zheng)刷(shua)新(xin)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)視(shi)覺(jiao)刷(shua)新(xin)率(lv)。通(tong)過(guo)優(you)化(hua)的(de)PWM編碼，不僅可以提高視覺刷新率
，也能夠提高LED亮度利用率。

CME-M5 8051功能描述

200MHz主頻8051MCU是整個係統的主控，負責與PC的通信
，實現TCP/IP協議棧


，通過以太網接收來自於PC端的節目內容，並以文件方式寫入SD卡進行節目更新，同時，8051也負責節目特效處理。

另外，8051采集溫度傳感器、濕度傳感器信息，顯示在LED屏幕上；采集環境光傳感器，實現亮度自動調節
；通過紅外遙控實現節目切換。CME-M5已集成了RTC實時時鍾，無須外擴芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時，分，秒，星期等信息；支持數字時鍾及模擬時鍾顯示。

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