4K高集成度小間距LED顯示屏控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

祁亞軍，王劍鋒

（佛山市青松科技股份有限公司，廣東 佛山 528200）

隨著技術(shù)的發(fā)展，LED顯示屏可以實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)間距越來越小，目前點(diǎn)間距0.9 mm的LED顯示屏已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)的階段。較小的點(diǎn)間距消除了近距離觀看時(shí)的顆粒感。這就為LED顯示屏進(jìn)入軍隊(duì)公安指揮中心，能源行業(yè)集控中心，廣電行業(yè)演播中心等需要大屏幕顯示設(shè)備的場合提供了契機(jī)。傳統(tǒng)大屏幕設(shè)備一般由數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Procession，DLP）背投和液晶顯示器（Liquid Crystal Display ，LCD）液晶拼接而成。這些傳統(tǒng)設(shè)備因?yàn)槲锢碓?，都無法克服邊框拼接間隙問題。一個(gè)完整的畫面被邊框分割，嚴(yán)重影響觀看者的視覺感受，分散觀看者的注意力。LED顯示屏由無邊框的模塊組成，整個(gè)大屏幕渾然一體，保證了畫面的完整性。除了無拼接縫，LED顯示屏在亮度、對比度、色彩還原、系統(tǒng)功耗、維護(hù)成本等方面都優(yōu)于DLP背投和LCD液晶拼接。因此，目前小間距LED顯示屏已成為室內(nèi)大屏幕設(shè)備的首選[1]。

在小間距LED顯示屏的大量工程實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)原先通用的LED顯示屏控制器已不再適用。首先，隨著點(diǎn)間距的縮小，相同顯示面積下，像素?cái)?shù)大幅增加。原先的控制器顯示帶寬已嚴(yán)重不足，需要多臺控制器并聯(lián)才能完成整個(gè)屏幕的控制。這就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，需要解決多臺控制器的同步問題，降低了系統(tǒng)可靠性。其次，小間距LED顯示屏的應(yīng)用場合決定了它需要支持多格式的信號源，比如最常見的HDMI，DVI，SDI，VGA等，但是原先的控制器只支持DVI，對于其他格式的信號，需要通過其他設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)換。最后，原先的控制器沒有友善的人機(jī)接口，所有操作需要通過電腦進(jìn)行，操作復(fù)雜[2]。

針對小間距LED顯示屏的產(chǎn)品特性及應(yīng)用特點(diǎn)，有必要開發(fā)一款高集成度，多功能，高帶載，易使用的控制器。

1 控制器功能需求分析

根據(jù)以往項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及未來技術(shù)發(fā)展趨勢，我們確定新的控制器應(yīng)具備以下功能。（1）支持逐漸成為主流的4K@30 Hz的信號輸入。滿足超高清畫面顯示的要求。（2）支持HDMI，DVI，SDI，VGA，DP等各種常用信號接口。減少對外部轉(zhuǎn)換器的需求。（3）具備視頻縮放，隔行轉(zhuǎn)換，畫質(zhì)增強(qiáng)，畫中畫等視頻處理功能。保證顯示質(zhì)量。（4）具備Genlock同步功能。用于保證顯示畫面的完全同步。（5）具備多媒體文件存儲與解碼能力。擺脫對電腦等播放設(shè)備的依賴，使顯示屏可獨(dú)立運(yùn)行。（6）帶有LCD，按鍵等人機(jī)交互設(shè)備。便于方便快捷的操作系統(tǒng)。（7）支持以太網(wǎng)通信。配合軟件實(shí)現(xiàn)對控制器的遠(yuǎn)程、集中管理。（8）LED控制輸出端口總帶寬不低于6 GB，以滿足4K的帶載需求。

2 控制器總體設(shè)計(jì)

基于上述需求分析，我們規(guī)劃控制器由CPU+FPGA+視頻處理SOC三大核心部分構(gòu)成。充分發(fā)揮各種處理芯片自身的特長，優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同工作，共同構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的小間距LED顯示屏控制系統(tǒng)。CPU運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)多媒體文件解碼，人機(jī)交互，系統(tǒng)配置與管理等。FPGA具有強(qiáng)大的可編程能力，優(yōu)異的并行處理架構(gòu)，通過自主開發(fā)固件，用來實(shí)現(xiàn)多路輸入信號的切換、拼接，畫面處理、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)以及LED顯示屏的直接控制。視頻處理SOC是視頻處理ASIC芯片，廣泛應(yīng)用于高端電視，高端顯示器，用來實(shí)現(xiàn)視頻縮放，隔行轉(zhuǎn)換，畫質(zhì)增強(qiáng)，畫中畫等視頻處理功能。

3 控制器關(guān)鍵功能模塊的實(shí)現(xiàn)

如前所述，控制器共分三大功能模塊。其具體實(shí)現(xiàn)為以下方面。

（1）視頻處理SOC選用ST意法半導(dǎo)體公司的高端顯示器芯片STDP9320，該芯片支持4K分辨率的輸入輸出。支持各種常見視頻信號的輸入。擁有先進(jìn)的MADi及DCDi視頻縮放，隔行轉(zhuǎn)換，畫質(zhì)增強(qiáng)，畫中畫等視頻處理技術(shù)。強(qiáng)大的6基色顏色管理。由于帶寬原因，STDP9320需要使用兩組LVDS信號才能輸出4K分辨率的畫面。而FPGA無法直接接收LVDS信號，因此在視頻處理SOC和FPGA間增加了兩路LVDS轉(zhuǎn)TTL的轉(zhuǎn)換電路。

（2）CPU芯片選用飛思卡爾公司的i.MX6 Quad應(yīng)用處理器。該CPU擁有4個(gè)ARM Cortex-A9處理核心，最高運(yùn)行速度1 GHz。因此具備強(qiáng)勁的計(jì)算能力。芯片內(nèi)部集成了硬件視頻加速器，具有1080P全高清視頻解碼能力。芯片自身帶有豐富的外設(shè)資源，支持各種常見外圍接口。芯片有TTL LCD顯示接口及HDMI顯示輸出接口。我們利用LCD顯示接口把CPU解碼出來的畫面送給FPGA。利用HDMI接口輸出系統(tǒng)操作界面。這樣在播放畫面的同時(shí)可以進(jìn)行系統(tǒng)操作，保持了兩者的獨(dú)立性。CPU的軟件系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)Linux開發(fā)，使得整個(gè)系統(tǒng)具有開放性，易擴(kuò)展性。

（3）FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心。視頻處理SOC和CPU出來的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過FPGA處理后，才能在LED顯示屏上顯示出來。根據(jù)對引腳數(shù)量及內(nèi)部邏輯資源的需求分析，我們選擇了Intel公司的Cyclone IV EP4CE40F29 FPGA芯片。該芯片共有780個(gè)引腳，40K的LEs邏輯資源。完成全部開發(fā)后，共使用了92%的引腳和81%的邏輯資源。

FPGA內(nèi)部系統(tǒng)框如圖1所示。

圖1 FPGA內(nèi)部系統(tǒng)框

FPGA需要同時(shí)接收來自視頻處理芯片，CPU，HDMI接收芯片的數(shù)據(jù)，處理后，還要通過6路千兆網(wǎng)輸出到LED顯示屏。因此，F(xiàn)PGA芯片需要很高的數(shù)據(jù)吞吐率。我們設(shè)計(jì)了144 bits位寬的DDR2存儲器接口及高性能存儲控制器，滿足了整個(gè)系統(tǒng)的帶寬需求。

為了便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)視信號源的狀態(tài)，我們?yōu)榭刂破髟O(shè)計(jì)了預(yù)覽功能。用戶可以通過操作面板上的按鍵一鍵調(diào)出3路信號源的實(shí)時(shí)畫面。同時(shí)，通過OSD技術(shù)，我們將關(guān)鍵系統(tǒng)信息疊加到預(yù)覽監(jiān)視畫面，讓客戶實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)狀態(tài)，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)異常。

整個(gè)系統(tǒng)具有高度的靈活性，每個(gè)功能模塊的參數(shù)可通過CPU數(shù)據(jù)交互接口實(shí)時(shí)動態(tài)配置，并即刻生效。滿足了實(shí)際應(yīng)用中多樣化的需求。

系統(tǒng)內(nèi)建自檢功能。可以自行完成板載硬件的測試工作并輸出測試報(bào)告。為運(yùn)維人員的故障排除提供可靠依據(jù)。

LED顯示屏輸出接口選用業(yè)界通用的千兆以太網(wǎng)物理層（Physical Layer，PHY）。利用這種成熟通用器件提高數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性價(jià)比。因?yàn)槊柯非д滓蕴W(wǎng)只有1 GB的帶寬，要實(shí)現(xiàn)6 GB的總線帶寬，需要6路千兆網(wǎng)芯片并行輸出。因

此，系統(tǒng)需要畫面分割功能。將一個(gè)完整的畫面按照LED顯示屏實(shí)際布線進(jìn)行分割后，輸出給千兆網(wǎng)驅(qū)動模塊，最終完成顯示數(shù)據(jù)到顯示屏的傳輸。

4 結(jié)語

本文根據(jù)小間距LED顯示屏的應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款集高帶寬LED控制器、視頻處理器、信源切換器、畫面拼接器和監(jiān)視器等功能與一體的控制器。通過提高系統(tǒng)的集成度，簡化了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性和易用性。目前該控制器已產(chǎn)品化并大量應(yīng)用于實(shí)際的小間距LED顯示屏工程項(xiàng)目中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和不錯(cuò)的用戶口碑。

[參考文獻(xiàn)]

[1]魏洵佳.帶有視頻圖像處理功能的一體化LED顯示屏控制器[J].中國集成電路，2012（8）：71-76.

[2]ST半導(dǎo)體公司.STDP9320 data brief.pdf[EB/OL].（2012-12-12）[2018-04-04].http://www.st.com/resource/en/data_brief/stdp9320.pdf.