基于SoC FPGA芯片的異步全彩LED顯示控制器解決方案

　　2. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[7]~R15[7]鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為8T (即時(shí)序圖中的T0周期);在此過(guò)程中，SDI移入R0[6]~R15[6]灰度數(shù)據(jù);

　　3. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[6]~R15[6]鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為4T(即時(shí)序圖中的T1周期);在此過(guò)程中，SDI移入并鎖存R0[5]~R15[5]灰度數(shù)據(jù);

　　4. ……

　　5. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[3]~R15[3]鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為1/2T(即時(shí)序圖中的T4周期)，1/2T后把OE_n信號(hào)置為無(wú)效;在此過(guò)程中，SDI移入并鎖存R0[2]~R15[2]灰度數(shù)據(jù);

　　6. ……

　　7. 使能LE信號(hào)對(duì)R0[0]~R15[0]鎖存，使能OE_n信號(hào)，保持時(shí)間為1/16T(即時(shí)序圖中的T7周期)，之后把OE_n信號(hào)置為無(wú)效;至此，完成一個(gè)灰度值顯示的刷新周期;

　　需要說(shuō)明的是，以上僅以16顆 LED作為例子，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)級(jí)聯(lián)多個(gè)MBI5024芯片，即上一級(jí)MBI5024芯片的SDO連接至下一級(jí)MBI5024的SDI，當(dāng)有N個(gè) MBI5024級(jí)聯(lián)的，相當(dāng)于一個(gè)N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上面介紹的7個(gè)步驟類(lèi)似。

圖7：MBI5024器件原理框圖

圖8：8bit/256級(jí)灰度控制時(shí)序圖

　　在一個(gè)灰度刷新周期內(nèi)(19T)，OE總有效時(shí)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(duì)于16bit/65536 級(jí)灰度，常用27子場(chǎng)方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T;OE_n有效時(shí)間為 8T，4T，2T，1T，1/2T，1/4T，1/8T，1/16T，1/32T，1/64T，1/128T，1/256T，1/512T，1 /1024T，1/2048T，1/4096T;亮度利用率為：15.999755859375 T/(27T)*100%=59.26 %，亮度損失為1 - 59.26 % = 40.74%。

　　使用不同數(shù)量的子場(chǎng)，亮度的利用率是不同的，例如：16bit/65536級(jí)灰度也可以采用42子場(chǎng)方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T;OE_n有效時(shí)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：31.99951171875 T/(42T) *100%=59.26 % = 76.19%，亮度損失為1 - 76.19%= 23.81%。

　　3)刷新率

　　驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率、 LED屏的掃描方式(靜態(tài)~16掃)以及尋址數(shù)固定以后，子場(chǎng)的時(shí)間T也就隨之定下來(lái)，以16bit/65536級(jí)灰度為例，如果采用27子場(chǎng)的方式，刷新率約為：F=1/( 27*T)，最小OE_n脈寬為T(mén) /4096;如果采用42子場(chǎng)的方式，刷新率約為：F=1/( 42*T)，最小OE_n脈寬為T(mén) /2048?？紤]到其他時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)際的刷新率F會(huì)比以上估算值略低。

　　可以看出在子場(chǎng)時(shí)間T一定的情況下，后者(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(zhǎng)(對(duì)于驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)說(shuō)，OE_n的脈寬最小值是有限制的，當(dāng)脈寬太窄時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片將無(wú)法識(shí)別)，所以，具體設(shè)計(jì)需根據(jù)實(shí)際情況做權(quán)衡。為了提高視覺(jué)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(nèi);對(duì)動(dòng)態(tài)掃描屏，還可以把實(shí)現(xiàn)灰度值的所有子場(chǎng)分割成多份，在刷新每一行時(shí)，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切換速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接著刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，從而提高視覺(jué)刷新率。通過(guò)優(yōu)化的 PWM編碼，不僅可以提高視覺(jué)刷新率，也能夠提高LED亮度利用率。

　　CME-M5 8051功能描述

　　200MHz主頻 8051 MCU是整個(gè)系統(tǒng)的主控，負(fù)責(zé)與PC的通信，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)以太網(wǎng)接收來(lái)自于PC端的節(jié)目?jī)?nèi)容，并以文件方式寫(xiě)入SD卡進(jìn)行節(jié)目更新，同時(shí)，8051也負(fù)責(zé)節(jié)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(huán)境光傳感器，實(shí)現(xiàn)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié);通過(guò)紅外遙控實(shí)現(xiàn)節(jié)目切換。CME-M5已集成了RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，無(wú)需外擴(kuò)芯片就能夠方便地在全彩LED屏上顯示年，月，日，時(shí)，分，秒，星期等信息;支持?jǐn)?shù)字時(shí)鐘及模擬時(shí)鐘顯示。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)采用FPGA SoC芯片，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)門(mén)楣廣告市場(chǎng)的異步全彩LED顯示控制器的設(shè)計(jì)，由于門(mén)楣廣告屏的分辨率一般都不高，CME-M5內(nèi)嵌的200MHz增強(qiáng)型 8051完全可以勝任作為系統(tǒng)主控。方案支持80K像素點(diǎn)，16bit/65536級(jí)灰度，視覺(jué)刷新率最高支持6000Hz，支持靜態(tài)~16掃屏體類(lèi)型，支持文字、圖片、動(dòng)畫(huà)及簡(jiǎn)單的視頻播放，支持?jǐn)?shù)字時(shí)鐘以及模擬時(shí)鐘顯示，支持溫度及濕度顯示，亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，紅外遙控節(jié)目切換。