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LED同步控制系统方案

LED同步控制系统设计方案

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LED控制系统设计方案

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描述Description

作者Author

2009-04-25

1.0

初稿设计

1项目综述

1.1开发背景

近几年来随着LED显示屏行业技术的不断发展进步，以及国内传统LED显示屏市场的日趋饱和，一批潜在的未来主力市场已经逐步成型，例如：

绿化节能景观、现代建筑外围显示、大型文艺、体育赛事的现场直播等等。

这些新兴的市场对LED显示屏的控制技术提出了新的要求和挑战。

传统LED显示屏控制技术的大多以图文和单独视频显示为目标，而新型的应用市场对LED控制提出了一些更高的要求，比如：

控制系统更强的交互性和兼容性；能够满足专业广播视频转播的屏幕显示效果；显示模块更加灵活的分割与重构；更高的可靠性和可维修性等等。

一些在国内市场已经被广泛采用的LED屏幕控制系统显然已经无法满足这些目标；因此，要想更好的立足于这些LED显示屏的新兴市场，推出一套性能更优越、交互性更强、有差异化特性的LED显示屏控制系统已经成为必然的趋势。

1.2竞争对手分析

1.2.1LEYARD公司LEADSHOW（领秀）控制系统

系统概述：

应用最新视频处理和控制技术，具有多种视频输入（复合视频、S端子、逐行/隔行分量、模拟RGB、DVI、SDI）和输出（DVI、模拟RGB、LVTTL）功能。

前端视频可达到高清纯10位1024级处理，信号处理位数达到16比特，同时可提供差异化的软件系统解决方案。

尖端视频处理技术

通过引入最新的纯10位处理技术，消除了视频画面人工雕琢痕迹，广播级逐行变换享受真正高清体验，动态边缘运动补偿以及像素级增强技术让视频还原更为逼真。

高信息兼容性

兼容模拟和数字视频两种格式，包括CVBS（复合视频）、S-Video（S端子）、YCbCr（隔行分量）、YPbPr（逐行分量）、RGBHV（VGA、DSUB15接口）、DVI-I以及SDI（标清、高清串行数字视频）。

多路信号输入与视频显示

每台领秀（LEADSHOW）视频处理器可同时接入6路不同信号源，并可任意选择2路信号源到一个显示设备上同时播放，各个输入信号间可以实现无缝切换。

超大控制分辨率

每台处理器有4个RJ45接口可连接到显示屏中，每个RJ45可控制800（宽）×600（高）像素点，总共可控制1600（宽）×1200（高）像素点。

特色功能：

●全10位处理，实现真正图像1024等级灰度，图像细节表现能力非常优越；

●数字式自适应的3线梳状滤波器根除亮度和色度的混叠；

●独特的帧率转换技术使输入信号与输出信号的更新速率一致而消除两者间潜在的相互交叠现象；

●图像峰值滤波提升了整个频率对亮度的反应；

●用急剧变化的边缘来替代视频的边缘，实现图像色度和亮度增强的效果；

●可编程亮度、对比度、色度、饱和度，弥补视频源缺陷并增强图像表现度；

●自适应运动补偿技术有效消除运动图像混叠，也有助于提升视频的慢动作重放、运动视频图像降噪以及视频去隔行处理的效果；

●像素级补偿技术确保运动图像去隔行扫描后细腻自然，无人工雕琢痕迹；

●电影模式NTSC制式3：

2下拉、PAL制2：

2自动侦测；

●运动视频单帧锁定；

评价：

性能：

高

成本：

较高

兼容性：

差

可维护性：

好

扩展能力：

好

（其它对手有待今后讨论扩充）

1.3产品概述

1.3.1功能定义

全新高性能LED屏幕同步控制系统，同时兼容本公司传统产品线。

1.3.2关键技术

平台式开发、产品高度模块化、高清视频输入、千兆网络传输、单点校正技术。

1.3.3产品独特卖点（有待讨论）

SDI广播接口、视频不规则分割（？

？

）、屏体远程实时监控（？

？

）、单点实时校正（？

？

）

1.3.4产品主要市场

暂空

1.4产品一致性要求

综合考虑了产品性能需求、现阶段技术积累情况、预计人员投入的情况；本产适合采用准平台开发方式，技术实现采用由易到难、由核心到外围、重点突击关键技术的方法，从而尽早推出产品以满足市场要求；并且可以逐步实现各种扩展功能，最终形成完备的产品系列。

研发具体要求如下：

1、各部分接口协议必须统一规划，要有很好的完备性和可扩展性。

2、主要器件（FPGA、接口芯片、存储器）尽量不更换；如考虑更换硬件，内部代码必须要有很高的兼容性和可移植性。

3、系统设计满足新产品性能的同时，尽量兼容已有产品线。

2系统方案设计（初步）

2.1产品功能和特性

●多种视频源输入：

VGA、DVI、HDMI、SDI、RGB复合视频等。

●分辨率支持：

最大视频源1080p，60hz帧频。

●最高支持30bit（单色10bit）视频输入，并向下兼容24bit、16bit视频源。

●屏体扫描频率满足摄像机拍摄无闪烁、无扫描线。

●整屏支持伽马校正、矫正数据最高单色16bit。

●千兆网传输，支持屏体状态实时监控。

●支持实像素显示模式和虚拟像素显示模式。

✧屏体远程控制、调试；Web控制、调试；

✧脱机控制、调试模式。

✧支持不规则视频分割、组合。

✧支持实时单点校正技术。

✧支持多种视频格式：

wav、dvd、H.264、mpeg、rm、流媒体、jpg图片等。

✧初步视频处理：

多视频源播放、视频叠加、视频效果增强等。

2.2系统的组成

2.2.1系统功能框图

2.2.2硬件功能结构说明

●视频预处理模块：

将本系统可以支持的所有视频格式，转换为统一格式，交给核心控制板处理。

并可以扩充视频格式转换（N制、Pal制）、以及前端视频增强处理等功能。

这部分有两种实现方案，方案一：

每一种不同的输入视频格式做一个单独的模块，例如DVI输入模块、VGA输入模块等，使用时根据用户需要提供不同的输入信号；这些模块具有统一的物理接口和帧控板连接；但各个模块的输出协议不追求完全相同，视频数据的格式交由帧控板的FPGA具体处理；这种方法优点在于成本较低，组合灵活，缺点是无法在同一系统内实现多路视频输入。

方案一

方案二：

视频预处理模块采用以FPGA为核心的架构；支持多种视频输入格式，并且支持多路视频源的同时输入，可以分别对每一路视频进行处理，也可以将多路视频整合成为一个整体。

不同的视频输入格式，解析后会在FPGA中进行统一的封装，按照统一的协议发送给帧控板。

这个方案与方案一相比，缺点是：

成本偏高，开发周期略长；优势是：

可以支持多路视频同时输入，视频组合、视频叠加等高级功能，使系统的功能组合更加丰富，提升产品档次，使其对需求的适应性显著增强，并且减少了今后二次开发的工作量。

●核心控制板（帧控板）：

这个模块是整个显示系统的核心控制部分，一个平台的主要技术指标和显示效果的优劣就体现在这个模块。

这个模块接收主要功能有：

实时处理视频数据信息（视频预处理模块输入）、屏体回传信息，人机界面控制信息。

视频信号和控制信息经过一系列的处理后，形成屏体最终的显示数据，通过千兆以太网传输给屏体进行显示。

屏体的各种实时参数也在这里解析打包，互传给用户界面。

帧控板的硬件结构以FPGA为核心，处理全部的视频数据和大部分控制信息。

外围搭配内存颗粒作为视频数据和控制信息的缓存，内存根据系统需要可以采用SDRAM或者DDRDRAM；对屏体的数据传输方式，采用千兆以太网PHY芯片的方案，这个是经过业内大量工程实践检验的成熟方案，具有较高的性能、较低的成本和稳定的可靠性。

除了上述这几部分，帧控板板上还需要有一个单片机来辅助处理些控制信息。

具体的方案到底是采用外置的单片机还是把这部分功能集成到FPGA内部，需要做详细设计方案的时候再进行更进一步的评估比较。

核心控制板结构

●指令信息控制模块：

脱机指令的处理，屏体信息的监控等功能。

并可扩展纯脱机播放、调试以及WEB播放调试等功能。

指令信息控制模块和帧控板之间建议采用技术成熟的接（USB\串口）等技术，增加通用性，使得指令输入既可以直接通过上位机软件输入，又可以通过本模块进行脱机输入。

另附：

指令信息控制模块的扩展与集成可行性讨论：

随着高性能嵌入式处理器技术的飞速发展，在小体积的便携式处理器架构上，运行windows\linux等通用操作系统已经成为现实；这项技术的提高对于本平台的意义在于：

提供给我们一个可以将嵌入式处理器和LED屏幕控制系统整合到一起，形成一套完整的控制系统的机会。

在这个系统中，用户不需要单独购买播放机、不需要单独安装播放软件；所有的内容完全的整合到一个系统中，进而可以达到性能和成本的平衡，使LED屏幕控制器形成一个完备的工控系统。

2.2.3接口协议概述

●视频输入接口协议（协议一）：

规范帧控板视频输入的物理接口性能以及输入视频所有的参数，包括：

最大分辨率、极限数据宽度、刷新频率、同步信号格式等等。

●屏体信息传输协议（协议二）：

物理接口初步确定为千兆以太网传输，接口协议包括：

显示信息数据包格式、回传信息的数据包格式、控制信息的数据包格式等。

●控制信息传输协议（协议三）：

物理接口待定，协议包括：

控制播放软件接口协议、远程（WEB）控制的接口协议、脱机控制接口协议、回传信息数据包格式等。

2.2.4主要器件初步选型（帧控板）

FPGA主选：

Altera公司的CycloneIII系列：

EP3C16Q240

（

FPGA备选：

Altera公司的ArriaIIGX系列：

EP2AGX20U358

（

理由：

1.ALTERA公司的产品线高中低档比较齐全，有利于项目后期的代码移植。

2.EP3C16Q240是所有CycloneIII非BGA封装的器件中，IO较多的一款。

适用于首版样机开发。

3.EP2AGX20U358具有高速收发器、ddr2控制单元；是性价比较好的一款；适用于后期升级开发。

3开发流程及任务清单

3.1开发流程简介

根据项目总体要求和公司现有技术积累情况，为了调和市场需求紧和研发周期长的矛盾，初步决定本控制系统的研发分成三个主要阶段，分别是：

第一阶段：

首版样机开发，确定系统的构架方式；完善帧控板所有相关接口、相关协议的定制与实现；完成主控系统的最小构架；整体性能不低于市场上的现有主流产品；扫描板、灯板尽量兼容公司原有产品，利用最短的时间和最小的投入，完成控制系统主体功能的开发工作，建立研发平台的基础，并可以满足尽早推出产品的市场要求。

第二阶段：

二版样机开发，在首版样机搭建的产品平台上，对产品性能进行整体的升级，对可能涉及到得应用方式和功能需求给予充分的考虑；形成一款先进的的、有竞争力的产品。

具体实施方法如下：

使用经过首版验证的所有接口及协议规范；着重提升主控系统的处理能力，争取达到国内先进水平；完善主控系统的其他功能；完成独立箱体的扫描板开发（可选）。

第三阶段：

后续扩展开发，完善产品序列；中低端方面：

产品功能部件的高度模块化，可以根据用户需求，提供成本更低、交期更短、性能更可靠的解决方案。

高端方面：

提升系统的独特功能，真正形成有差异化特性的高新能LED同步控制系统，形成公司独特的产品优势。

在产品研发过程中，首版样机和二版样机可以分别产品化，形成同步控制平台的高低产品搭配。

后续扩展开发的成果，可以作为选装功能实现。

其中第二阶段和第三阶段的开发任务，由于可以继承第一阶段的成果，视情况可以并行开发，以缩短整体研发周期。

3.2首版样机开发

3.2.1任务清单

●DVI视频源的输入。

●分辨率支持：

1280*1024（1024*768），60hz帧频。

●最高支持30bit（单色10bit）视频输入，并向下兼容24bit、16bit视频源。

●整屏支持伽马校正、矫正数据最高单色16bit。

●千兆网传输，但不支持屏体状态实时监控。

✧支持实像素显示模式和虚拟像素显示模式。

（需屏体支持）（可选）

✧脱机控制、调试模式。

（可选）

3.2.2技术重点、难点

●所有接口及协议定制，必须一步到位，可以兼容今后的开发内容。

●核心板FPGA内部结构规划的合理性和代码的可移植性，必须充分考虑。

3.2.3必要仪器设备

示波器（采样频率至少1GHZ）；逻辑分析仪（现阶段可选）。

FPGA的JTAG下载线（调试用）；调试环境（LED屏体）。

3.2.4其他关联任务

上位机控制、播放软件的开发。

3.3二版样机开发

3.3.1任务清单（括号内为相关内容相对于首版开发时的状态）

●多种视频源输入：

VGA、DVI、HDMI、SDI、RGB复合视频等。

（升级）

●分辨率支持：

最大视频源1080p，60hz帧频。

（升级）

●最高支持30bit（单色10bit）视频输入，并向下兼容24bit、16bit视频源。

（不变）

●屏体扫描频率满足摄像机拍摄无闪烁、无扫描线。

（启动扫描板开发任务）

●整屏支持伽马校正、矫正数据最高单色16bit。

（不变）

●千兆网传输，支持屏体状态实时监控。

（升级）

●支持实像素显示模式和虚拟像素显示模式。

（需屏体支持）

●脱机控制、调试模式。

✧支持不规则视频分割、组合。

（可选）

✧支持实时单点校正技术。

（可选）

3.3.2技术重点、难点

●BGA芯片的焊接与检测工艺。

●高速信号pcb布板、ddr信号的同步。

3.3.3必要仪器设备

示波器（采样频率至少1GHZ）；逻辑分析仪。

FPGA的JTAG下载线（调试用）；调试环境（LED屏体）。

各种视频输入设备；实时单点校正设备；

3.3.4其他关联任务

独立箱体的扫描板、灯板的开发。

3.4后继扩展开发

3.4.1任务清单（括号内为相关内容相对于二版开发时的状态）

●屏体远程控制、调试；Web控制、调试；

●脱机控制、调试模式。

（升级）

●支持不规则视频分割、组合。

●支持实时单点校正技术。

●支持多种视频格式：

wav、dvd、H.264、mpeg、rm、流媒体、jpg图片等。

●初步视频处理：

多视频源播放、视频叠加、视频效果增强等。

3.4.2技术重点、难点（暂空）

3.4.3必要仪器设备（暂空）

3.4.4其他关联任务（暂空）

4工期进度及资源估算

4.1项目时间进度估计及关键节点

详见《首版样机开发时间计划（前期估算）》

4.2人力资源需求（暂空、待讨论）

4.3项目组织结构（暂空）

4.4预算估计（未完）

费用名称

预计投入（人民币）

材料费用

未知

用人费用

　未知

设备费用

　示波器+逻辑分析仪（15万）

单点校正设备（未知）

差旅费用

　未知

业务招待费用

　未知

顾问费用

　未知

安规及其他测试费用

　未知