4K高集成度小間距LED顯示屏控制器的設計與實現

祁亞軍，王劍鋒

（佛山市青松科技股份有限公司，廣東 佛山 528200）

隨著技術的發展，LED顯示屏可以實現的點間距越來越小，目前點間距0.9 mm的LED顯示屏已經達到量產的階段。較小的點間距消除了近距離觀看時的顆粒感。這就為LED顯示屏進入軍隊公安指揮中心，能源行業集控中心，廣電行業演播中心等需要大屏幕顯示設備的場合提供了契機。傳統大屏幕設備一般由數字光處理技術（Digital Light Procession，DLP）背投和液晶顯示器（Liquid Crystal Display ，LCD）液晶拼接而成。這些傳統設備因為物理原因，都無法克服邊框拼接間隙問題。一個完整的畫面被邊框分割，嚴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、系統功耗、維護成本等方面都優于DLP背投和LCD液晶拼接。因此，目前小間距LED顯示屏已成為室內大屏幕設備的首選[1]。

在小間距LED顯示屏的大量工程實踐中，我們發現原先通用的LED顯示屏控制器已不再適用。首先，隨著點間距的縮小，相同顯示面積下，像素數大幅增加。原先的控制器顯示帶寬已嚴重不足，需要多臺控制器并聯才能完成整個屏幕的控制。這就增加了系統的復雜度，需要解決多臺控制器的同步問題，降低了系統可靠性。其次，小間距LED顯示屏的應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，需要通過其他設備進行轉換。最后，原先的控制器沒有友善的人機接口，所有操作需要通過電腦進行，操作復雜[2]。

針對小間距LED顯示屏的產品特性及應用特點，有必要開發一款高集成度，多功能，高帶載，易使用的控制器。

1 控制器功能需求分析

根據以往項目實施經驗及未來技術發展趨勢，我們確定新的控制器應具備以下功能。（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。減少對外部轉換器的需求。（3）具備視頻縮放，隔行轉換，畫質增強，畫中畫等視頻處理功能。保證顯示質量。（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備的依賴，使顯示屏可獨立運行。（6）帶有LCD，按鍵等人機交互設備。便于方便快捷的操作系統。（7）支持以太網通信。配合軟件實現對控制器的遠程、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 控制器總體設計

基于上述需求分析，我們規劃控制器由CPU+FPGA+視頻處理SOC三大核心部分構成。充分發揮各種處理芯片自身的特長，優勢互補，協同工作，共同構成一個強大的小間距LED顯示屏控制系統。CPU運行標準Linux操作系統，用來實現多媒體文件解碼，人機交互，系統配置與管理等。FPGA具有強大的可編程能力，優異的并行處理架構，通過自主開發固件，用來實現多路輸入信號的切換、拼接，畫面處理、存儲與轉發以及LED顯示屏的直接控制。視頻處理SOC是視頻處理ASIC芯片，廣泛應用于高端電視，高端顯示器，用來實現視頻縮放，隔行轉換，畫質增強，畫中畫等視頻處理功能。

3 控制器關鍵功能模塊的實現

如前所述，控制器共分三大功能模塊。其具體實現為以下方面。

（1）視頻處理SOC選用ST意法半導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。擁有先進的MADi及DCDi視頻縮放，隔行轉換，畫質增強，畫中畫等視頻處理技術。強大的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TTL的轉換電路。

（2）CPU芯片選用飛思卡爾公司的i.MX6 Quad應用處理器。該CPU擁有4個ARM Cortex-A9處理核心，最高運行速度1 GHz。因此具備強勁的計算能力。芯片內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接口輸出系統操作界面。這樣在播放畫面的同時可以進行系統操作，保持了兩者的獨立性。CPU的軟件系統基于標準Linux開發，使得整個系統具有開放性，易擴展性。

（3）FPGA是整個系統的核心。視頻處理SOC和CPU出來的數據都要經過FPGA處理后，才能在LED顯示屏上顯示出來。根據對引腳數量及內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個引腳，40K的LEs邏輯資源。完成全部開發后，共使用了92%的引腳和81%的邏輯資源。

FPGA內部系統框如圖1所示。

圖1 FPGA內部系統框

FPGA需要同時接收來自視頻處理芯片，CPU，HDMI接收芯片的數據，處理后，還要通過6路千兆網輸出到LED顯示屏。因此，FPGA芯片需要很高的數據吞吐率。我們設計了144 bits位寬的DDR2存儲器接口及高性能存儲控制器，滿足了整個系統的帶寬需求。

為了便于用戶實時監視信號源的狀態，我們為控制器設計了預覽功能。用戶可以通過操作面板上的按鍵一鍵調出3路信號源的實時畫面。同時，通過OSD技術，我們將關鍵系統信息疊加到預覽監視畫面，讓客戶實時感知系統狀態，第一時間發現異常。

整個系統具有高度的靈活性，每個功能模塊的參數可通過CPU數據交互接口實時動態配置，并即刻生效。滿足了實際應用中多樣化的需求。

系統內建自檢功能。可以自行完成板載硬件的測試工作并輸出測試報告。為運維人員的故障排除提供可靠依據。

LED顯示屏輸出接口選用業界通用的千兆以太網物理層（Physical Layer，PHY）。利用這種成熟通用器件提高數據傳輸系統的性價比。因為每路千兆以太網只有1 GB的帶寬，要實現6 GB的總線帶寬，需要6路千兆網芯片并行輸出。因

此，系統需要畫面分割功能。將一個完整的畫面按照LED顯示屏實際布線進行分割后，輸出給千兆網驅動模塊，最終完成顯示數據到顯示屏的傳輸。

4 結語

本文根據小間距LED顯示屏的應用特點，設計并實現了一款集高帶寬LED控制器、視頻處理器、信源切換器、畫面拼接器和監視器等功能與一體的控制器。通過提高系統的集成度，簡化了整個系統的復雜度，降低了系統成本，提高了系統可靠性和易用性。目前該控制器已產品化并大量應用于實際的小間距LED顯示屏工程項目中，取得了較好的經濟效益和不錯的用戶口碑。

[參考文獻]

[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.