CN101447171B - 嵌入式多媒体led显示屏控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，包括单板硬件电路，该电路包括程序存储器、应用数据存储器、高速内存、中央处理器、安全加密保护模块、超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路、高速上屏时序隔离驱动模块、大容量高速显存、高保真立体音频流输出模块、网络驱动接口、USB扩展接口、串口驱动接口、时钟日历管理模块、高级电源管理模块。本发明运用成熟先进的32位SOC(System On Chip，片上系统)高速处理器，百万门可编程的超大规模集成电路FPGA作LED显示扫描时序信号发生器，软件方面运用源码开放的Linux实时多任务操作系统，集电子、软件、存储、通讯、图形图像、音视频解码等多种技术含量于一身，为LED显示系统带来了质的飞跃。

Description

嵌入式多媒体LED显示屏控制系统

技术领域

本发明涉及LED显示屏控制技术，特别是涉及一种嵌入式多媒体LED显示屏控制系统。

背景技术

LED：半导体发光二极管，广泛运用于诸多电器的工作状态指示，发出的光主要有红、绿、蓝、黄、白色；LED单元板：用LED组成的固定大小的点阵模块，通常宽高分别由8×8、16×8、16×16、32×32、64×32等象素模块构成，可以适应任意屏体的尺寸；有单色、双色和全彩屏之分；LED显示屏：用LED单元板拼接成需要显示的尺寸，来显示各种文字、图片、视频等信息，区别于LCD(液晶)或CRT(显像管)电视的突出特点是能够显示的尺寸大，亮度高，通常用于各种公共场所的信息指示；LED显示屏控制系统：LED显示屏中的核心控制部件，用于控制LED灯的亮暗程度，运用红绿蓝三基色定理可以让LED屏显示出绚丽的图像，控制系统还要完成与有无线设备的通讯，节目的存储与解码播放等功能。

LED显示屏作为重要的公共信息显示设备，在交通系统、广告领域、舞台演出背景、亮化工程、大型自动化生产流水线等场合都得到了越来越多的广泛应用。

随着现代化社会的不断进步，政府政策的大力支持，各地投入数百亿元打造“光谷”产业基地，越来越多的资金、技术、人才投入了LED显示屏这个如火如荼的新兴行业，历经数年的发展，上下游产业链已经形成，我国的LED显示技术达到了国际先进水平，出口势头十分强劲。

作为显示屏的核心控制部件“LED显示屏控制系统”逐渐从该行业细分出来，出现了百花齐放、竞相争艳的产品，其驱动显示屏的方式也千差万别。

沿用至今，依赖计算机显卡取数来显示的“同步型控制系统”结构原理简单，表现的媒体内容灵活，显示功能扩展相对较方便，不依赖于硬件平台，但在成本上已经成了尖锐的问题，计算机长年无人值守、易受病毒攻击、工作环境恶劣造成的先天不稳定性，也使维护成本增加，且布线施工麻烦，人们使用此款控制系统的意愿在不断降低，但还没能找到完全替代的产品。

LED显示屏在很多场合用来显示少量文字信息，通常屏体的空间很小，计算机在成本、体积方面不适合，出现了低成本用8位单片机控制的微型“异步控制系统”的产品，弥补了计算机方面的部分空白。但随着LED显示屏的总体成本快速下降，要求能显示与计算机类似的绚丽图片、动画、视频等媒体文件，这种很低成本简单的控制系统在运行速度、内存容量、存储容量、通信接口等方面显得越来越力不从心。

不断放大的市场空白，要求低成本、小体积、高性能的替换方案首先是要能有与计算机相媲美的能够解码播放所有媒体能力的高速处理芯片；需要强大、高速的联网控制能力；其次需要很强的软件支撑，需要运用实时多任务操作系统、文件系统管理、通讯、解码等功能；为显示绚丽画面，还必须有对超大规模集成电路自行设计能力。此项技术密集型“LED显示屏控制系统”产品，需要专业人员的多年从业经验，还需要综合的各科技能，开发团队难以形成，因技术壁垒太多导致多数研发未取得成功，在市场中凤毛麟角，而其需求还在与日俱增。

发明内容

本发明所要解决的问题就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌入式多媒体LED显示屏控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，包括单板硬件电路，该电路包括：

程序存储器，用于存储核心数据；

应用数据存储器，用于存储用户数据；

高速内存，用于动态存储程序运行数据；

中央处理器，其内部集成有包括网络、串口、USB口的电路模块；

安全加密保护模块，用于防止抄板和防止系统静态时烧毁LED显示屏；

超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路，用于产生LED显示屏显示的时序驱动控制信号，并产生图象的灰度、完成颜色伽玛矫正，及音频时钟的分频；

高速上屏时序隔离驱动模块，用于提供外接LED显示屏接口需要的信号电压，并将本系统与外部隔离开来，起到保护作用；

大容量高速显存，用于存储显示的帧信息；

高保真立体音频流输出模块，用于输出各种需要的声音；

网络驱动接口，用于接入标准的局域网，可与计算机通讯或访问互联网的资源，完成LED显示屏参数的设置、测试，节目的下载等功能；

USB扩展接口，用于连接接大容量优盘，便于储存容量扩展、节目维护和程序升级；

串口驱动接口，用于连接各种串口通讯设备；

时钟日历管理模块，用于自动维护日期时间；

高级电源管理模块，用于提供系统需要的各种电压，提供过流保护；

所述的程序存储器、应用数据存储器、高速内存和超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路均通过总线与中央处理器相互连接，所述的中央处理器、超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路、高速上屏时序隔离驱动模块依次连接，所述的安全加密保护模块连接于中央处理器与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路之间，所述的大容量高速显存与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路相互连接，所述的高保真立体音频流输出模块、网络驱动接口、USB扩展接口、串口驱动接口、时钟日历管理模块和高级电源管理模块均与中央处理器相互连接。

还包括运行于上述的单板硬件电路上的Linux操作系统，该操作系统具有实时多任务调度器、文件系统管理器，以及用于单板硬件电路各种驱动。

所述的驱动包括显示驱动、网络驱动、USB驱动、串口驱动、时钟驱动、存储驱动、音频驱动、通用IO扩展驱动、FPGA时序加载管理驱动。

所述的Linux操作系统上运行有应用程序，该应用程序包括：

用户网络接口交互程序，用于为用户提供系统参数设置、屏体测试、节目下载等功能；

用户优盘接口升级维护程序，用于为用户提供优盘接入的方案，自动检测优盘的插入与拔出，可以更新系统内的运行程序、节目、扩展存储等功能；

软件安全、加密管理程序，用于保护软件不被盗版、反向编译等；

屏幕多区域链表管理程序，用于将LED显示屏分成多个互不相关的多个区域来播放不同的节目，可以动态地建立区域，并分层显示；

节目文件更新管理程序，用于高效地提供节目文件地更新；

屏幕参数配置程序，用于兼容LED显示屏各种接口及走线方式；

节目列表播放解析程序，用于将计算机中编辑好的节目按要求播放出来；

用户实时插播数据解析程序，用于为用户提供可定制的实时显示内容，可以单图片、闪烁区域及列表文件的播放；

文字解码程序，用于为系统提供多种文字显示的方案；

图片解码程序，用于为系统显示多种主流的图片格式；

图像特技播放显示程序，用于提供多种图像的显示方式；

视频解码程序，用于对多种视频格式进行高效解码；

时钟显示程序，用于提供灵活的时钟区显示方案；

测屏显示程序，用于提供屏体各种参数测试；

音频解码程序，用于提供音乐播放的功能。

所述的中央处理器采用高速32位ARM9架构的片上系统芯片。

与现有技术相比，本发明运用成熟先进的32位SOC(System On Chip，片上系统)高速处理器，百万门可编程的超大规模集成电路FPGA作LED显示扫描时序信号发生器，软件方面运用源码开放的Linux实时多任务操作系统，集电子、软件、存储、通讯、图形图像、音视频解码等多种技术含量于一身，为LED显示系统带来了质的飞跃；

本发明是个小巧的单板系统，可以部分取代与计算机相连的“同步系统”，在稳定性方面更胜一筹；在不失功能与性能前提下可以显示播放与计算机上同样的媒体文件，可以让显示屏逐渐摆脱计算机的束缚，适应场合更广、更自由；在成本方面与同步系统相比更低，除去了一台计算机、不用发送和多张接收器，全套系统仅需一张板卡即可；省去了多个中间环节，只需单板通电即可显示，连接更简单。

本发明是个强大的嵌入式控制系统，其与以往的“异步控制卡”有了本质的进步：

1)最重要的是让异步脱机显示屏步入了灰度时代，同时引入了伽玛(Gamma)校正技术，无论是全彩还是在双色或单色显示屏上都可以显示出含有灰度的绚丽、生动的图片、动画、电影等；

2)让异步脱机显示屏也能播放MP3背景音乐、视频播放出震撼的高保真音效；

3)让异步脱机显示屏也可以接入了真正的局域网，可以以千兆或百兆网高速下载节目、可以不用下载节目到控制系统，直接实时在线播放电脑中编辑好的节目、可以实时插播显示的信息、可以与计算机联线完成所有参数的设置与屏体的测试，控制系统软件的升级、很多场合都有局域网还可以省去布线的烦恼；

4)超大容量的板载可配置存储器，能容纳上万张图片或几部完整的电影，可以灌入海量的节目播放内容，是以往“异步控制卡”的几百倍容量；

5)无与伦比、响应及时、智能的优盘功能，让众多异步脱机屏更新节目更简单、快捷、省时省力、免去布线、接线烦恼，可以作海量存储扩展播放更多媒体内容用，可以完成软件永无止境的升级用；

6)其他：运用ARM9的处理器比单片机系统运算快了近百倍，比ARM7产品还快三倍；

7)除了以上图文并茂、音色俱全等优势外，更为激动的是它贴近现有异步脱机系统的价格，真正做到了异步的价格、同步的性能；

本发明在屏体接口方面与成熟地控制器产品相比毫不逊色，不仅自身提供HUB(屏体单元板集线器)管脚定义外，还兼容国内主流厂家几百种HUB接口。

本发明在屏体单元板灯走线方面也提供了丰富的功能，支持所有的静态、1/2、1/4、1/8、1/16扫描，能够实现行序、行或列交换、折返、绕回、抽旋转等等复杂的走线，也可以运用配套提供的软件实现更为复杂的屏体走线的智能设置，实现抽行、抽列、镂空等异形屏连线。能够兼容95％以上的屏体走线；

本发明提供了完善的屏幕测试功能，网格线测试可以查看屏体连接正确性、灰度测试可以检测屏幕象素显示各色的均匀性、走点测试可以检测屏体的走线方式，配合智能设置更快捷地让屏幕正常显示；

本发明不仅对显示屏领域提供了完善的支持，也演化成对LED显示有着更为强劲的灯光亮化的护栏管、像素屏、网格屏等提供了全面的技术保障，给新兴的行业分享显示屏成熟技术的成果，有效降低各方面的成本，加速促进新兴市场的繁荣起着一定的作用。

附图说明

图1为本发明的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，包括单板硬件电路，该电路包括程序存储器、应用数据存储器、高速内存、中央处理器、安全加密保护模块、超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路、高速上屏时序隔离驱动模块、大容量高速显存、高保真立体音频流输出模块、网络驱动接口、USB扩展接口、串口驱动接口、时钟日历管理模块、高级电源管理模块；

所述的程序存储器、应用数据存储器、高速内存和超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路均通过总线与中央处理器相互连接，所述的中央处理器、超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路、高速上屏时序隔离驱动模块依次连接，所述的安全加密保护模块连接于中央处理器与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路之间，所述的大容量高速显存与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路相互连接，所述的高保真立体音频流输出模块、网络驱动接口、USB扩展接口、串口驱动接口、时钟日历管理模块和高级电源管理模块均与中央处理器相互连接。

本发明还包括运行于上述的单板硬件电路上的Linux操作系统，该操作系统具有实时多任务调度器、文件系统管理器，以及用于单板硬件电路各种驱动；所述的驱动包括显示驱动、网络驱动、USB驱动、串口驱动、时钟驱动、存储驱动、音频驱动、通用IO扩展驱动、FPGA时序加载管理驱动；所述的Linux操作系统上运行有应用程序，该应用程序包括用户网络接口交互程序、用户优盘接口升级维护程序、软件安全、加密管理程序、屏幕多区域链表管理程序、节目文件更新管理程序、屏幕参数配置程序、节目列表播放解析程序、用户实时插播数据解析程序、文字解码程序、图片解码程序、图像特技播放显示程序、视频解码程序、时钟显示程序、测屏显示程序、音频解码程序；所述的中央处理器采用高速32位ARM9架构的片上系统芯片。

本发明由多片超大规模高速集成电路构成紧凑型的单板系统来实现与计算机类似的硬件功能，满足低成本、小体积、高性能的要求；利用源码开放的标准Linux操作系统来实现实时实时多任务、网络协议栈、文件等的管理，并在此系统平台上开发应用程序。

硬件部分描述：

运用多片主流的大规模集成电路构成的系统有效降低了成本、体积，提高了稳定性。可编程配置的设计方案，降低了研发成本、减少了制板周期。

程序存储器40：与计算机中的硬盘功能相同，存储核心数据，稳定可靠，不易丢失数据，用来存储程序内容；

应用数据存储器41：与计算机中的硬盘功能相同，存储用户数据，大容量范围从256MB～4GB，价格便宜，用来存放用户的节目播放内容，可以存放上万张图片或5个小时的视频；

高速内存42：与计算机中的内存条功能相同，动态存储程序运行数据，容量大，速度快；

中央处理器43：高速的32位ARM9架构的CPU片上系统芯片，内部集成了网络、串口、USB口等电路模块；

安全加密保护模块44：复杂可编程逻辑电路构成，防止抄板，并且防止系统静态时烧毁LED显示屏；

超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路45：与计算机中的显卡功能相同，产生LED显示屏显示的时序驱动控制信号，并产生图象的灰度、完成颜色伽玛矫正，及音频时钟的分频。

高速上屏时序隔离驱动模块46：提供外接LED显示屏接口需要的信号电压，并将单板系统与外部隔离开来，起到保护作用；

大容量高速显存47：与计算机中的显卡的显存功能相同，存储显示的帧信息；

高保真立体音频流输出48：与计算机中的声卡功能相同，可以输出各种需要的声音；

网络驱动接口49：与计算机中的网卡功能相同，可以接入标准的局域网，可与计算机通讯或访问互联网的资源，完成LED显示屏参数的设置、测试，节目的下载等功能；

USB扩展接口50：与计算机中的USB接口功能相同，可接大容量优盘，便于储存容量扩展、节目维护和程序升级；

串口驱动接口51：可连接各种串口通讯设备，如计算机、传感器、无线GPRS等实时数据的显示与控制；

时钟日历管理52：自动维护时间日期，芯片带后备电源，调电不丢失；

高级电源管理53：稳定可靠地提供系统需要的各种电压，提供过流保护。

Linux操作系统部分描述：

利用流行的、源码开放的Linux操作系统提供了丰富的功能、可根据需要定制系统、缩短开发周期；

动态共享库文件、及应用程序接口20：提供了通用应用程序的公共接口，大大简化了应用软件的开发工作；

实时多任务调度器21：为内核及应用程序提供了多个任务同时运行的功能，本系统可以同时播放和后台解码图象、还可以同时处理用户从网络、串口传过来的命令等；

文件系统管理22：为程序或节目存储器提供了通用文件格式的的访问，支持芯片数据存储的反复读写、磨损平衡、掉电保护等功能；

显示驱动23：将LED显示屏显示的内容直接在内核钟映像为一段连续的内存接口访问，应用程序可以不关心具体的实现；

网络驱动24：为系统提供了接入网络的功能，提供复杂可定制的所有网络功能，可单接计算机或接入局域网；

USB驱动25：为系统提供了通用串行总线(USB)的主机接口，可以让USB接口的设备方便地接入系统，可扩展U盘、移动硬盘、光驱、蓝牙设备、无线网卡等；

串口驱动26：为系统提供了串行接口，可以让串行接口的设备方便地接入系统，可扩展无线手机模块GPRS、集成传感器、计算机远程(10公里)控制等；

时钟驱动27：为系统提供了长期计时的日历时钟功能，有备用电源，可以提供世界时区管理、系统时间等；

存储驱动28：将各种存储芯片以统一的访问接口提供给上层文件系统管理22访问；

音频驱动29：提供应用层发过来的音频数据流的解析与播放；

通用IO口扩展驱动30：为系统提供通用的IO管脚扩展功能，可用于状态指示、FPGA时序加载、按键输入等功能；

FPGA时序加载管理驱动31：为LED显示屏提供了可配置的方案；

应用层软件部分描述(应用程序)：

该部分为本发明的核心部分，实现了LED显示屏所需的所有功能：

用户网络接口交互01：为用户提供系统参数设置、屏体测试、节目下载等功能；

用户优盘接口升级维护02：为用户提供优盘接入的方案，自动检测优盘的插入与拔出，可以更新系统内的运行程序、节目、扩展存储等功能；

软件安全、加密管理03：保护软件不被盗版、反向编译等；

屏幕多区域链表管理04：可以将LED显示屏分成多个互不相关的多个区域来播放不同的节目，可以动态地建立区域，并分层显示；

节目文件更新管理05：最高效地提供节目文件地更新，可通过网络、优盘等；

屏幕参数配置06：兼容了LED显示屏大多数接口、走线方式，满足几百种不同的需求；

节目列表播放解析07：将计算机中编辑好的节目按要求播放出来；

用户实时插播数据解析08：为用户提供可定制的实时显示内容，可以单图片、闪烁区域及列表文件的播放；

文字解码(文本，RTF，表格)09：系统提供多种文字显示的方案；

图片解码(所有格式)10：系统可以显示十几种主流的图片格式；

图像特技播放显示11：系统对图象有几十种的显示方式；

视频解码12：系统可以对多种视频格式进行软件高效解码；

时钟显示13：系统提供了灵活的时钟区显示方案；

测屏显示14：系统提供了功能完善的屏体各种参数测试功能；

音频解码MP3格式15；系统提供了MP3音乐等背景音乐播放的功能。

Claims (5)

1.嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，包括单板硬件电路，该电路包括：

程序存储器，用于存储核心数据；

应用数据存储器，用于存储用户数据；

高速内存，用于动态存储程序运行数据；

中央处理器，其内部集成有包括网络、串口、USB口的电路模块；

安全加密保护模块，用于防止抄板和防止系统静态时烧毁LED显示屏；

超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路，用于产生LED显示屏显示的时序驱动控制信号，并产生图象的灰度、完成颜色伽玛矫正，及音频时钟的分频；

高速上屏时序隔离驱动模块，用于提供外接LED显示屏接口需要的信号电压，并将本系统与外部隔离开来，起到保护作用；

大容量高速显存，用于存储显示的帧信息；

高保真立体音频流输出模块，用于输出各种需要的声音；

网络驱动接口，用于接入标准的局域网，可与计算机通讯或访问互联网的资源，完成LED显示屏参数的设置、测试，节目的下载等功能；

USB扩展接口，用于连接大容量优盘，便于储存容量扩展、节目维护和程序升级；

串口驱动接口，用于连接各种串口通讯设备；

时钟日历管理模块，用于自动维护日期时间；

高级电源管理模块，用于提供系统需要的各种电压，提供过流保护；

所述的程序存储器、应用数据存储器、高速内存和超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路均通过总线与中央处理器相互连接，所述的中央处理器、超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路、高速上屏时序隔离驱动模块依次连接，所述的安全加密保护模块连接于中央处理器与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路之间，所述的大容量高速显存与超大规模可编程逻辑门阵列(FPGA)集成电路相互连接，所述的高保真立体音频流输出模块、网络驱动接口、USB扩展接口、串口驱动接口、时钟日历管理模块和高级电源管理模块均与中央处理器相互连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，还包括运行于上述的单板硬件电路上的Linux操作系统，该操作系统具有实时多任务调度器、文件系统管理器，以及用于单板硬件电路的各种驱动。

3.根据权利要求2所述的嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，所述的驱动包括显示驱动、网络驱动、USB驱动、串口驱动、时钟驱动、存储驱动、音频驱动、通用IO扩展驱动、FPGA时序加载管理驱动。

4.根据权利要求2所述的嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，所述的Linux操作系统上运行有应用程序，该应用程序包括：

用户网络接口交互程序，用于为用户提供系统参数设置、屏体测试、节目下载等功能；

用户优盘接口升级维护程序，用于为用户提供优盘接入的方案，自动检测优盘的插入与拔出，可以更新系统内的运行程序、节目、扩展存储等功能；

软件安全、加密管理程序，用于保护软件不被盗版、反向编译等；

屏幕多区域链表管理程序，用于将LED显示屏分成多个互不相关的多个区域来播放不同的节目，可以动态地建立区域，并分层显示；

节目文件更新管理程序，用于高效地提供节目文件地更新；

屏幕参数配置程序，用于兼容LED显示屏各种接口及走线方式；

节目列表播放解析程序，用于将计算机中编辑好的节目按要求播放出来；

用户实时插播数据解析程序，用于为用户提供可定制的实时显示内容，可以单图片、闪烁区域及列表文件的播放；

文字解码程序，用于为系统提供多种文字显示的方案；

图片解码程序，用于为系统显示多种主流的图片格式；

图像特技播放显示程序，用于提供多种图像的显示方式；

视频解码程序，用于对多种视频格式进行高效解码；

时钟显示程序，用于提供灵活的时钟区显示方案；

测屏显示程序，用于提供屏体各种参数测试；

音频解码程序，用于提供音乐播放的功能。

5.根据权利要求1或2所述的嵌入式多媒体LED显示屏控制系统，其特征在于，所述的中央处理器采用高速32位ARM9架构的片上系统芯片。

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