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信號對R0[7]~R15[7]鎖存，使能OE_n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OE_n信號，保持時間為4T(即時序圖中的T1周期);在此過程中，SDI移入并鎖存R0[5]~R15[5]灰度數據;

　　4. ……

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

　　6. ……

　　7. 使能LE信號對R0[0]~R15[0]鎖存，使能OE_n信號，保持時間為1/16T(即時序圖中的T7周期)，之后把OE_n信號置為無效;至此，完成一個灰度值顯示的刷新周期;

　　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，相當于一個N*16位的移位寄存器，最多可以連接N*16顆LED的R/G/B。操作流程與上面介紹的7個步驟類似。

圖7：MBI5024器件原理框圖

圖8：8bit/256級灰度控制時序圖

　　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%。

　　對于16bit/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，1/16T，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%。

　　使用不同數量的子場，亮度的利用率是不同的，例如：16bit/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;OE_n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：31.99951171875 T/(42T) *100%=59.26 % = 76.19%，亮度損失為1 - 76.19%= 23.81%。

　　3)刷新率

　　驅動芯片的數據時鐘頻率、 LED屏的掃描方式(靜態~16掃)以及尋址數固定以后，子場的時間T也就隨之定下來，以16bit/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，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(對于驅動芯片來說，OE_n的脈寬最小值是有限制的，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;對動態掃描屏，還可以把實現灰度值的所有子場分割成多份，在刷新每一行時，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，從而提高視覺刷新率。通過優化的 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 8051 MCU是整個系統的主控，負責與PC的通信，實現TCP/IP協議棧，通過以太網接收來自于PC端的節目內容，并以文件方式寫入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實時時鐘，無需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;支持數字時鐘及模擬時鐘顯示。

　　4 結語

　　通過采用FPGA SoC芯片，實現了針對門楣廣告市場的異步全彩LED顯示控制器的設計，由于門楣廣告屏的分辨率一般都不高，CME-M5內嵌的200MHz增強型 8051完全可以勝任作為系統主控。方案支持80K像素點，16bit/65536級灰度，視覺刷新率最高支持6000Hz，支持靜態~16掃屏體類型，支持文字、圖片、動畫及簡單的視頻播放，支持數字時鐘以及模擬時鐘顯示，支持溫度及濕度顯示，亮度自動調節，紅外遙控節目切換。