基于SoC FPGA芯片的异步全彩LED显示控制器解决方案

　　2. 使能LE信号对R0[7]~R15[7]锁存，使能OE_n信号，保持时间为8T (即时序图中的T0周期);在此过程中，SDI移入R0[6]~R15[6]灰度数据;

　　3. 使能LE信号对R0[6]~R15[6]锁存，使能OE_n信号，保持时间为4T(即时序图中的T1周期);在此过程中，SDI移入并锁存R0[5]~R15[5]灰度数据;

　　4. ……

　　5. 使能LE信号对R0[3]~R15[3]锁存，使能OE_n信号，保持时间为1/2T(即时序图中的T4周期)，1/2T后把OE_n信号置为无效;在此过程中，SDI移入并锁存R0[2]~R15[2]灰度数据;

　　6. ……

　　7. 使能LE信号对R0[0]~R15[0]锁存，使能OE_n信号，保持时间为1/16T(即时序图中的T7周期)，之后把OE_n信号置为无效;至此，完成一个灰度值显示的刷新周期;

　　需要说明的是，以上仅以16颗LED作为例子，实际应用中会级联多个MBI5024芯片，即上一级MBI5024芯片的SDO连接至下一级MBI5024的SDI，当有N个 MBI5024级联的，相当于一个N*16位的移位寄存器，最多可以连接N*16颗LED的R/G/B。操作流程与上面介绍的7个步骤类似。

图7：MBI5024器件原理框图

图8：8bit/256级灰度控制时序图

　　在一个灰度刷新周期内(19T)，OE总有效时间为：8T + 4T + 2T + 1T + 1/2T + 1/4T + 1/8T + 1/16T = 15.9375T，亮度的利用率为：15.9375T/(19T)*100%=83.88%，也就是亮度损失为1 - 83.88% = 16.12%。

　　对于16bit/65536 级灰度，常用27子场方式：8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T;OE_n有效时间为 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;亮度利用率为：15.999755859375 T/(27T)*100%=59.26 %，亮度损失为1 - 59.26 % = 40.74%。

　　使用不同数量的子场，亮度的利用率是不同的，例如：16bit/65536级灰度也可以采用42子场方式，即：16T，8T，4T，2T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T，T;OE_n有效时间为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，亮度利用率为：31.99951171875 T/(42T) *100%=59.26 % = 76.19%，亮度损失为1 - 76.19%= 23.81%。

　　3)刷新率

　　驱动芯片的数据时钟频率、LED屏的扫描方式(静态~16扫)以及寻址数固定以后，子场的时间T也就随之定下来，以16bit/65536级灰度为例，如果采用27子场的方式，刷新率约为：F=1/( 27*T)，最小OE_n脉宽为T /4096;如果采用42子场的方式，刷新率约为：F=1/( 42*T)，最小OE_n脉宽为T /2048。考虑到其他时间开销，实际的刷新率F会比以上估算值略低。

　　可以看出在子场时间T一定的情况下，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最小脉宽比前者长(对于驱动芯片来说，OE_n的脉宽最小值是有限制的，当脉宽太窄时，驱动芯片将无法识别)，所以，具体设计需根据实际情况做权衡。为了提高视觉刷新率(Visual Refresh Rate)，可以把灰度值的高位打散成多段分布在刷新周期内;对动态扫描屏，还可以把实现灰度值的所有子场分割成多份，在刷新每一行时，只刷新一部分灰度，加快一行到下一行的切换速度，等所有行都刷新完一部分灰度之后，再接着刷新其他部分灰度，直到灰度值被完整刷新，从而提高视觉刷新率。通过优化的 PWM编码，不仅可以提高视觉刷新率，也能够提高LED亮度利用率。

　　CME-M5 8051功能描述

　　200MHz主频 8051MCU是整个系统的主控，负责与PC的通信，实现TCP/IP协议栈，通过以太网接收来自于PC端的节目内容，并以文件方式写入SD卡进行节目更新，同时，8051也负责节目特效处理; 另外，8051采集温度传感器、湿度传感器信息，显示在LED屏幕上;采集环境光传感器，实现亮度自动调节;通过红外遥控实现节目切换。CME-M5已集成了RTC实时时钟，无需外扩芯片就能够方便地在全彩LED屏上显示年，月，日，时，分，秒，星期等信息;支持数字时钟及模拟时钟显示。

4 结语

　　通过采用FPGASoC芯片，实现了针对门楣广告市场的异步全彩LED显示控制器的设计，由于门楣广告屏的分辨率一般都不高，CME-M5内嵌的200MHz增强型 8051完全可以胜任作为系统主控。方案支持80K像素点，16bit/65536级灰度，视觉刷新率最高支持6000Hz，支持静态~16扫屏体类型，支持文字、图片、动画及简单的视频播放，支持数字时钟以及模拟时钟显示，支持温度及湿度显示，亮度自动调节，红外遥控节目切换。