基于網口傳輸的LED同步屏控制系統及其FPGA實現

摘要：介紹一種以FPGA為核心，基于網口傳輸的全彩高灰度同步LED顯示屏控制系統的設計方法。該設計改變傳統設計中低效高成本的信號采集和傳送方式，改用實時采集DVI接口顯示信號、通過網口傳輸數據，采用高集成度FPGA和大容量SDRAM，采用信號包復用技術同步傳送顯示數據和控制數據及高效率的灰度切片算法等新技術，具有成本低、顯示面積大、顯示穩定、刷新率高等特點。
關鍵詞：DVI；FPGA；百兆網口；同步LED顯示屏控制系統；同步動態隨機存儲器；灰度切片算法

LED全彩同步控制系統具有高性能實時顯示、節能、環保等優點，成為現代信息發布的重要媒體。本設計改變傳統設計中采集顯卡VESA信號接口、使用并行多根總線傳送數據的方式，改用采集DVI接口、通過網口傳輸數據，既節省成本也提高了傳輸效率和傳輸質量。另外，該設計還采用一系列新技術，例如使用高集成度FPGA作為主控制模塊、使用大容量SDRAM代替高成本的等容量SRAM、采用信號包復用技術同步傳送顯示數據和控制數據、采用高效率的灰度切片算法等等。LED同步屏控制系統具有成本低、顯示面積大、顯示穩定、刷新率高等特點，是目前市面上非常具有競爭力的顯示控制方案。

1 系統原理和結構
系統整體架構如圖1所示，主要由兩部分組成：采樣發送板(STR)和現場控制板(FRC)。通過大規模邏輯及其他組件，實時同步采集計算機輸出的顯示數據，通過高速緩存、格式轉換后，由大容量傳輸通道傳送到LED顯示屏現場，最終轉換成LED掃描控制信號，在LED顯示屏上實現高清晰的視頻、圖片、文本等節目內容的顯示。

1．1 顯示信號采集
本設計從電腦的DVI接口采集高清晰顯示數據信號。DVI主要基于轉換最小差分信號TMDS(Transition Minimizerl Differential signa-ling)技術來傳輸數字信號。TMDS運用編碼算法把8 tit(24位色RGB數據，每色各8 bit)通過最小轉換編碼轉換為10 bit數據(包含行場同步信息、時鐘信息、數據DE、糾錯等)，并在DC平衡后，采用差分信號傳輸數據。它比LVDS、TTL具有更好的電磁兼容性能，可用低成本專用電纜實現長距離、高質量數字信號傳輸。本系統采用專用TFP401A芯片。將計算機顯示卡DVI接口輸出的TMDS信號轉換成TTL電平的RGB三色分離的數據信號。
1．2 顯示數據格式轉換
DVI接口高速輸入的顯示信號是串行含灰度的數據，以24位色數據為例，每個顏色的權值數據為8位，即灰度等級為256級(28)。LED顯示屏上的灰度實現，是通過控制每一個LED的點亮時間即占空比來實現的，為了更高效的實現不同的灰度，該設計采用全屏幕每個權值獨立顯示的方式，即控制整個屏幕分別顯示1～8個權值的亮度。
整個數據格式轉換過程由采集發送板和現場控制板上的2片FPGA以及數據緩存的SDRAM來實現。通過權值分離-緩存-分區提取-數據重整等一系列過程，最終得到LED顯示屏的掃描數據。