第３５卷㊀第１１期
２０２０年１１月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀液晶与显示
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３５㊀N o ．１１㊀N o v ．２０２０
㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ０６Ｇ１９；修订日期:２０２０Ｇ０６Ｇ２４．
㊀㊀基金项目：中央高校基本科研业务费专项基金(N o ．０１７７０３２７)；中国海事局科技专项基金(N o ．０７１６Ｇ１３４００００３N ００８
)S u p p o r t e db y S p e c i a lF u n df o rB a s i cS c i e n t i f i cR e s e a r c hB u s i n e s sE x p
e n s e so fC e n t r a lU n i v e r s i t i e s (N o ．０１７７０３２７);S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y F u n d o
f C h i n a M a r i t i m e S a f e t y A
d m i n i s t r a t i o n (N o ．０７１６Ｇ１３４００００３N ００８
)㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :X i o n g m u d i ＠q q
．c o m 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２０)１１Ｇ１１５０Ｇ０６
熊木地∗，孙宇航，郭俞君
(大连海事大学信息科学技术学院，辽宁大连１１６０２６)
摘要：传统的L E D 智能玻璃显示屏的控制系统需要以计算机作为视频源进行实时的视频输出，但在小规模场合中使用不够方便，因此本文设计了一种脱离实时视频源㊁便携的视频播放控制系统.该系统主要由视频输出单元和视频转发单元两部分组成，视频输出单元采用搭载操作系统的C P U＋F P G A 双核架构,C P U 通过U S B 接口对U 盘中视频数据进行读取，通过在C P U 特定内置A P P 中进行地址映射图绘制，生成地址映射数据，并将视频数据和映射数据发送至F P G A ,F P G A 对视频数据重新排序，通过光纤发送至视频转发单元，视频转发单元接收并选取其中一部分视频数据，反G a mm a 校正后发送至驱动系统实现对显示屏上L E D 的控制，采用多个视频转发单元级联方式驱动大规模L E D 智能玻璃显示屏.此系统给产品应用带来了方便，具有更广泛的应用范围.
关㊀键㊀词:L E D 智能玻璃显示;C P U F P G A 双核；光纤通信；乒乓操作；系统级联中图分类号:T P ３１９㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/Y J Y X S ２０２０３５１１．１１５０
D e s i g no fL
E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y a n d c o n t r o l s y
s t e m b a s e d o n e m b e d d e d s y
s t e m X I O N G M u Ｇd i ∗
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D a l i a n １１６０２６,C h i n a )A b s t r a c t :T h e t r a d i t i o n a l L
E Di n t e l l i g e n t g l a s sd i s p l a y c o n t r o l s y s t e m n e e d s a c o m p
led发光模块u t e r a s t h ev i d e o s o u r c e f o r r e a l Ｇt i m e v i d e o o u t p u t ,b u t i t i s n o t c o n v e n i e n t t o u s e i n s m a l l Ｇs c a l e o c c a s i o n s ,s o t h i s p a p e r d e s i g n s a p o r t a b l ev i d e o p l a y i n g c o n t r o l s y s t e m w h i c hi ss e p
a r a t e df r o mt h er e a l Ｇt i m ev i d e os o u r c e ．T h e s y s t e mi sm a i n l y c o m p o s e d o f t w o p a r t s :v i d e o o u t p u t u n i t a n d v i d e o f o r w a r d i n g u n i t ．V i d e o o u t Ｇp u t u n i t a d o p t sC P U ＋F P G Ad u a l c o r e a r c h i t e c t u r e
b a s e do no p e r a t i n g s y
s t e m．T h eC P Ur e a d s t h e v i d e od a t a i n t h eU S Bd i s k t h r o u g h t h eU S B i n t e r f a c e ,d r a w s t h e a d d r e s sm a p p i n g m a p i n t h e s p e c i f i c b u i l t Ｇi nA P Po f C P U ,g e n e r a t e s t h e a d d r e s sm a p p i n g d a t a ,a n d s e n d s t h e v i d e o d a t a a n dm a p p i n g d
a t a t oF P G A．F P G Ar e o r d e r s t h e v i d e od a t a a n d s e n d s i t t o t h ev i d e o f o r w a r d i n g u n i t t h r o u g ho p t i c a l f i Ｇ
b e r ．T h e v i d e o f o r w a r d i n g u
n i t r e c e i v e s a n ds e l e c t s p a r t o f t h ev i d e od a t a ．A f t e r a n t iG a mm ac o r r e c Ｇt i o n ,i t i s s e n t t o t h e d r i v i n g s y s t e mt o r e a l i z e t h e c o n t r o l o f L E Do n t h e d i s p l a y s c r e e n ．M u l t i p
l e v i d e o
f o r w a r d i n
g u n i t s a r e u s e d t o d r i v e l a r g eＧs c a l eL E D i n t e l l i g e n t g l a s s d i s p l a y s c r e e n i n c a s c a d e．T
h
i s s y sＧt e mb r i n g s c o n v e n i e n c e t o p r o d u c t a p p l i c a t i o na n dh a s aw i d e r r a n g e o f a p p l i c a t i o n．
K e y w o r d s:L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y;C P U F P G Ad u a l c o r e;o p t i c a l f i b e r c o mm u n i c a t i o n;p i n gp o n g o p e r a t i o n;s y s t e mc a s c a d e
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀随着科技进步和娱乐方式的多样化，各类显示屏应运而生，人们对视频质量以及显示屏应用领域的需求也就越来越高.在种类繁多的显示屏产品中，发光二极管(L E D)显示屏凭借着域广㊁功耗低㊁寿命长的优势占据了显示屏市场的一大部分[１].L E D智能玻璃显示屏在具有传统L E D 显示屏特点的基础上，又具有良好的透明性以及建材特性，因此被广泛应用于户外大型展示项目，尤其适合于以大楼幕墙为载体或者作为地铁出口的玻璃幕墙等应用.但是，传统的L E D智能玻璃显示屏的控制系统需要以计算机作为视频源进行实时的视频输出[２Ｇ５]，在小规模场合中使用不够方便，因此本文设计了一种脱离了独立视频源㊁便携的视频播放控制系统.
２㊀系统构成
本系统由视频输出单元和视频转发单元两部分组成.如图１所示，其中视频输出单元主要负责提供可视化操作界面以及将按照一定方式重新排序的视频数据通过光纤发送至视频转发单元，视频转发单元负责接收并选取其中一部分视频数据，再对这部分视频数据进行反G a mm a校正后发送至驱动系统实现对L E D智能玻璃显示屏的控制.由于L E D驱动芯片的移位时钟频率限制了每个视频转发单元所能控制
的L E D数目，因此想实现大规模L E D智能玻璃显示屏的控制需要多个视频转发单元，所以视频转发单元还需要将接收到的视频数据通过光纤转发至下一个视频转发单元，以视频转发单元级联的形式实现大规模L E D智能玻璃显示屏的控制.
视频输出单元由中央处理器(C P U)和现场可编程门阵列(F P G A)两部分组成.其中C P U 及其外围电路作为视频输出单元的主要核心，负责向用户提供可视化操作界面，实现文件存取,
连
图１㊀L E D智能玻璃显示系统
F i g．１㊀L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y s y s t e m
接互联网，向F P G A发送地址码表，提供视频数据等功能[６].F P G A及其外围电路作为辅助核心负责视频数据的重排序以及通过光纤向视频转发单元的传输.视频输出单元的整体工作流程如下:
C P U：预先烧写A n d r o i d系统至外挂E MM C 芯片中，提供完整操作系统，使用户可通过H
D M I接口连接显示屏,U S B接口连接鼠标键盘以及U盘，实现视频文件存取，连接互联网等所需操作.用户通过特定内置A P P绘制地址映射图，生成地址映射数据文件，并将地址映射文件中的数据发送至F P G A部分[７].同时C P U通过特定视频输出引脚将R G B数据㊁场同步信号以及随路时钟发送至F P G A部分.
F P
G A：在C P U的控制下接收地址映射数据并将其分为两部分存入两片外挂S S R AM的后半部分地址中，地址映射数据存储完成后，将每一帧R G B视频数据以乒乓操作的方式在两片外挂S S R AM的前半部分地址中进行读写操作，并将读出的R G B视频数据通过光纤发送至视频转发单元.
视频转发单元以F P G A为核心，通过光纤接收视频输出单元发送的R G B视频数据并在其中截取自身控制的部分L E D智能玻璃显示屏所对应的R G B视频数据，对其进行反G a mm a校正后通过网线发送至驱动电路实现对L E D智能玻璃显示屏的控制，同时将接收到的全部R G B视频数
１５１１
第１１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀熊木地，等：嵌入式L E D智能玻璃显示屏控制系统设计
据通过光纤发送至下一个视频转发单元.
３㊀详细设计
如图２所示，视频输出单元由C P U 和F P G A
两部分组成.C P U 部分由C P U ㊁E MM C ㊁D D R ㊁
W I F I 以及电源管理模块组成.在此之中C P U 选用瑞芯微电子的R K ３２８８处理器，该处理器采用四核C o r t e x ＧA １７架构，最高支持４K１０b i t s
H ２６５/２６４视频解码以及多路视频输出，可以保证在提供可视化操作界面的同时向F P G A 部分发送R G B 视频数据,
以实现本系统所需功能[８
].E MM C 以及D D R 选用K L MA G １J E T D ＧB ０４１N
和K ４B ４G １６４６E ＧB MMA 两款芯片，二者分别作为系统存储器以及系统缓存单元.W I F I 选择
A P ６３３５无线W I F I 模块，用以实现系统所需的网络功能，电源管理模块以A C T ８８４６QM ４９０ＧT 芯片为核心，该芯片被设计专用于R K ３２８８系列芯片电源管理
.
图２㊀视频输出单元结构框图
F i g ．２㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f v i d e oo u t p
u t u n i t F P G A 部分由F P G A ㊁S S R A M ㊁
光纤接口组成.在此之中,F P G A 选用X i l i n x 公司的S p a r t a n Ｇ６系列的X C ６S L X ４５TF P G A 芯片，该芯片最大支持可达３．２G b p s 的高速串行收发器，可以满足本系统所需的光纤传输速率需求.S S R A M 选用
I S ６１L P S ２０４８３６B Ｇ２００T Q L I ，该芯片最多可存７２
M b 数据，读写速率可达２００MH z ，能够满足本系统所需的１０８０P 的视频数据读写要求.
在用户开机后,C P U 借由搭载的专用A n Ｇ
d r o i d ５．１操作系统共实现３部分功能.其一为持续通过专用引脚向F P G A 发送R G B 视频数据㊁随路时钟信号以及同步信号.其二为提供可操作图形界面以及操作系统.其三为通过内置A P P 按照实际
L E D 智能玻璃显示屏走线绘制地址映射图生成相应地址映射文件，并将其存入E MM C 中，之后拉高C P U 与F P G A 相连的使能引脚，通知F P G A 接收地址映射数据.并按照C P U 生成的写时钟信号向F P G A 发送地址映射数据.当地址映射数据发送完成后,C P U 拉低使能引脚，通知F P G A 地址映射数据发送完毕.该操作需进行两次，分别发送地址映射数据的前后两部分.
F P
G A 部分从功能上可以分为地址映射数据
接收模块㊁视频数据接收以及地址映射模块㊁光纤发送模块４个模块.
地址映射数据接收模块在系统上电后等待C P U 的使能信号,
当使能信号被拉高时，通过F I F O 将地址映射数据的前后两部分按照地址自增的方式分别存入外挂S S R A M _B 以及S S R A M _A 的后半部分存储空间中.
视频数据接收以及地址映射模块在F P G A 上
电后就开始在C P U 所发送的随路时钟信号以及同步信号的控制下将视频数据以地址自增的方式存
入外挂S S R A M 中，由于本系统采用的是１９２０ˑ
１０８０
的视频输出分辨率，因此通过对行同步信号的计数可将视频数据均分为两部分，分别存入S S Ｇ
R A M _A 以及S S R A M _B 中.在实际运行过程中,
为了保证视频帧数不减半，在视频数据接收以及地
址映射操作过程中采用乒乓操作的方式[
９Ｇ１０
].光纤发送模块通过将A u r o r a _８b １０b I P 核配
置为单工发送模式，将地址映射操作完成并经过
了F I F O 的R G B 视频数据通过光纤发送至视频
转发单元.由于本系统使用的单工A u r o r a _
８b １０b I P 核的初始化以定时模式实现，因此整体光纤通讯系统的上电顺序必须为接收端在前，发
送端在后，无法实现光纤的热插拔，在实际应用中较为不便.为解决此问题，在光纤发送模块每完整发送２０帧视频数据后,A u r o r a _８b １０b 单工发送模块会进行一次复位重启，使光纤通道可以重新建立，实现光纤的热插拔，并去除上电顺序对光纤系统的影响.由于每次A u r o r a _８b １０b 单工发送模块的重启均在视频场消隐过程中进行，故不会对视频显示效果造成影响.
如图３所示，视频转发单元以F P G A 为核
心,F P G A 芯片同样选用X i l i n x 公司的S p a r t a n Ｇ６系列的X C ６S L X ４５TF P G A 芯片.视频转发单元在功能上可分为光纤模块㊁数据选取以及处理模块㊁数据发送模块３部分.其中光纤模块为修改过的A u r o r a _８b １０bI P 核，通过修改A u r o r a _
２
５１１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第３５卷㊀
图３㊀视频转发单元结构框图
F i g．３㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f v i d e o f o r w a r d i n g u n i t ８b１０b I P核的程序，使
其可以同时作为接收端和发送端分别与两个不同的对象建立光纤通道，实现视频转发单元之间的光纤级联[１１Ｇ１２].系统上电后，光纤模块先接收由上一级通过光纤发送的R
G B视频数据，并将数据选取以及处理模块处理后的R G B视频数据通过光纤发送至下一级.数据选取以及处理模块先将光纤接收到的数据通过简单双口R AM去除其中的无效数据，之后通过对大小固定的另一个双口R AM进行写操作来将R G B视频数据分组.具体为设置一个初始值为０的寄存器，每次双口R AM写满后会对该寄存器进行加一操作并从地址零开始继续写入下一部分数据，直至寄存器的值与板载拨码开关所设置的数值一致，便停止写入R G B视频数据，并对此时双口R AM中的数据进行反伽马校正处理[１３Ｇ１４].数据发送模块将反伽马校正后的数据进行并转串处理，生成与驱动电路匹配的时钟后发送至驱动电路，实现L E D智能玻璃显示屏的控制.
４㊀乒乓操作
为保证最终系统输出视频不存在丢帧现象，在地址映射过程中需要进行乒乓操作，具体流程如下.F P G A首先需自己生成双倍于随路时钟频率的时钟C L K_P P１以及C L K_P P２，在地址映射数据存储完成后，首先以C L K_P P１的奇数周期作为写时钟将第一部分R G B视频数据存入S SＧR AM_A的前半部分空间中，在这部分R G B视频数据存储完成后，同样利用C L K_P P２的奇数周期将R G B视频数据的后半部分数据存入S S R AM_B的同时利用C L K_P P２的偶数周期作为读时钟以地址自增的方
式读出地址映射数据，并以该数据为读地址利用C L K_P P１的偶数周期从S S R AM_A中读出视频数据，完成地址映射.再之后S S R AM_A以C L K_P P１的奇数周期为写时钟写入视频数据，以C L K_P P１的偶数周期为读时钟读出地址映射数据并操作S S R AM_B完成地址映射操作，之后重复上述过程.
５㊀系统展示与演示
嵌入式视频播放控制系统连线图如图４所示.
图４㊀嵌入式视频播放控制系统连线图
F i g．４㊀W i r i n g d i a g r a m o f e m b e d d e dv i d e o p l a y b a c k
c o n t r o l s y s t e m
嵌入式播放控制系统视频映射调试如图５所示，映射调试采用行列扫描方式，通过观察行列像素点位置，判断映射结果是否准确，经实际测试，无像素点错位现象
.
图５㊀嵌入式播放控制系统视频映射调试图
F i g．５㊀V i d e o m a p p i n g d e b u g g i n g d i a g r a m o f
e m b e d d e d p l a y b a c kc o n t r o l s y s t e m
L E D智能玻璃显示效果６所示.
图６㊀L E D智能玻璃显示屏显示效果图
F i g．６㊀D i s p l a y e f f e c td i a g r a m o f L E D i n t e l l i g e n t
g l a s s d i s p l a y s c r e e n
３５１１
第１１期㊀㊀㊀㊀㊀㊀熊木地，等：嵌入式L E D智能玻璃显示屏控制系统设计
６㊀结㊀㊀论
本文介绍了一种基于嵌入式系统的L E D智能玻璃显示控制系统，采用搭载操作系统的C P U＋F P G A双核架构.C P U通过U S B接口对U盘中视频数据进行读取，通过在C P U特定内置A P P 中进行地址映射图绘制，生成地址映射数据，并将视频数据和映射数据发送至F P G A.F P G A对视频数据重新排序，通过光纤发送至视频转发单元，视频转发单元接收视频数据选取其中一部分视频数据，反伽马校正后发送至驱动系统实现对L E D 智能玻璃显示屏的控制，采用多个视频转发单元级联方式驱动大规模L E D智能玻璃显示屏.此系统给产品应用带来了方便，具有更广泛的应用范围.
参㊀考㊀文㊀献:
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[２]㊀林健源．室外L E D显示屏的选择及安装问题研究[J]．中国设备工程,２０２０(１２):１９９Ｇ２００．
L I NJY．S e l e c t i o na n d i n s t a l l a t i o no f o u t d o o rL E Dd i s p l a y[J]．C h i n aP l a n tE
n g i n e e r i n g,２０２０(１２):１９９Ｇ２００．(i n
C h i n e s e)
[３]㊀景润东．基于F P G A的L E D大屏幕同步控制系统的设计[D]．南京：东南大学,２０１９．
J I N G RD．D e s i g n o f s y n c h r o n o u s c o n t r o l s y s t e mf o r l a r g eL E Ds c r e e nb a s e d o nF P G A[D]．N a n j i n g:S o u t h e a s tUＧn i v e r s i t y,２０１９．(i nC h i n e s e)
[４]㊀L U DP．D e s i g no fL E Dd o tm a t r i xh a n dw r i t i n g d i s p l a y s c r e e n[C]//P r o c e e d i n g s o f t h e２０１７５t hI n t e r n a t i o n a l
C o n f e r e n c e o n M a c h i n e r y,M a t e r i a l s a n dC o m p u t i n g T e c h n o l o g y(I C MM C T２０１７)．A t l a n t i sP r e s s,２０１７．[５]㊀隋志坤．基于A R M和F P G A的L E D智能玻璃显示系统研究[D]．大连：大连海事大学,２０１７．S U IZK．T h e r e s e a r c ho f L E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y s y s t e mb a s e d o nA R Ma n dF P G A[D]．
D a l i a n:D a l i a nM a r i t i m e U n i v e r s i t y,２０１７．(i nC h i n e s e)
[６]㊀徐士强．基于A R M９的嵌入式L i n u x系统的研究与应用[D]．南京：南京邮电大学,２０１２．
X USQ．R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f e m b e d d e dL i n u x s y s t e mb a s e d o nA R M９[D]．N a n j i n g:N a n j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,２０１２．(i nC h i n e s e)
[７]㊀公磊，周聪．基于A n d r o i d的移动终端应用程序开发与研究[J]．计算机与现代化,２００８(８):８５Ｇ８９．
G O N GL,Z HO U C．D e v e l o p m e n t a n d r e s e a r c ho fm o b i l e t e r m i n a t i o n a p p l i c a t i o nb a s e do nA n d r o i d[J]．C o m p u t e r a n d M o d e r n i z a t i o n,２００８(８):８５Ｇ８９．(i nC h i n e s e)
[８]㊀D Y I N G．深挖四核潜力瑞芯微R K３２８８浅析[J]．电脑迷,２０１４(１２):２４．
D Y I N G．D e e p e x p l o r a t i o n o f f o u r c o r e p o t e n t i a l o fR u i x i nm i c r oR K３２８８[J]．P CF a n,２０１４(１２):２４．(i nC h i n e s e) [９]㊀Z AWA D Z K IP．A n i m p r o v e d c o n t r o lm o d e f o r t h e p i n gＧp o n gp r o t o c o l o p e r a t i o n i n i m p e r f e c t q u a n t u mc h a n n e l s[J]．Q u a n t u mI n f o r m a t i o nP r o c e s s i n g,２０１５,１４(７):２５８９Ｇ２５９８．
[１０]㊀郑争兵．基于F P G A的高速采样缓存系统的设计与实现[J]．计算机应用,２０１２,３２(１１):３２５９Ｇ３２６１．Z H E N GZB．D e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f h i g hＧs p e e ds a m p l i n g b u f f e r s y s t e m b a s e do nF P G A[J]．J o u r n a l o f
C o m p u t e rA p p l i c a t i o n s,２０１２,３２(１１):３２５９Ｇ３２６１．(i nC h i n e s e)
[１１]㊀吴志诚．基于光纤传输的L E D智能玻璃显示系统研究[D]．大连：大连海事大学,２０１８．
WUZC．T h e r e s e a r c ho fL E Ds m a r t g l a s s d i s p l a y s y s t e mb a s e do no p t i c a l f i b e r t r a n s m i s s i o n[D]．D a l i a n:D a l i a n M a r i t i m eU n i v e r s i t y,２０１８．(i nC h i n e s e)
[１２]㊀熊木地，范婷，刘盼，等．基于F P G A的S F P级联视频传输系统设计[J]．光通信技术,２０１９,４３(７):２５Ｇ３０．X I O N G M D,F A NT,L I UP,e t a l．D e s i g n o f S F P c a s c a d e d v i d e o t r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e d o nF P G A[J]．O pＧt i c a lC o mm u n i c a t i o nT e c h n o l o g y,２０１９,４３(７):２５Ｇ３０．(i nC h i n e s e)
[１３]㊀胡钰，李甜甜，黄梁松，等．基于双边伽马校正的保亮度图像增强方法[J]．计算机应用与软件,２０１９,３６(５):２０４Ｇ２１０,２４１．
HU Y,L ITT,HU A N GLS,e t a l．B r i g h t n e s s p r e s e r v i n g i m a g e e n h a n c e m e n tm e t h o db a s e d o nb i l a t e r a l g a mm a ４５１１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀
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