CN102254513A

CN102254513A - 一种led显示屏多功能控制系统

Info

Publication number: CN102254513A
Application number: CN2011101970590A
Authority: CN
Inventors: 魏洵佳; 任平
Original assignee: Konka Group Co Ltd
Current assignee: Konka Group Co Ltd
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2011-11-23
Anticipated expiration: 2031-07-14
Also published as: CN102254513B

Abstract

本发明提供了一种LED显示屏多功能控制系统，包括：计算机端的发送控制部分和屏体端的接收处理部分；所述计算机端的发送控制部分包括：HDMI视频处理发送模块和与之连接的HDMI选通、MCU、百兆网PHY、音频通讯、监控输出模块，与MCU连接的USB-RS232转换模块，以及和网络变压器连接的网络供电模块；所述屏体端的接收处理部分包括：千兆网矩阵、网络受电模块、HDMI视频处理接收模块和与之连接的HDMI解码、可编程控制、红外接收、音频通讯、监控输入和网络变压器模块；所述HDMI视频处理发送模块和视频处理接收模块通过网线传送高清音视频信号和红外、RS232、音频通讯、视频监控信息，并支持网络供电功能。

Description

一种LED显示屏多功能控制系统

技术领域

本发明涉及LED显示屏领域，尤其涉及一种LED显示屏多功能控制系统。

背景技术

目前高清晰度数字电影标准早已进入3G-SDI(SMPTE424M-2006标准)时代，2.97Gbps的总带宽不仅支持1920×1080p/60Hz音视频播放，且还在向更高的分辨率、更丰富的色彩(例如SMPTE 428-1K PGYQR 4096×2160 4:4:4/X’Y’Z’/12-bit24p)发展，1.3K数字电影、2K2D或3D数字电影、4K3D数字电影相继出现。

计算机显卡的性能和分辨率快速提升，目前所有主流显卡至少都能达到2048×1536的最大分辨率，而最新一代显卡的最大分辨率更是高达WQXGA(Wide Quad-XGA)2560×1600，并向4K2K(4096×2048)发展。

视频色彩的表现力日益丰富，色深输出在RGB每秒60帧模式已从24位发展到30位、36位和48位，例如HDMI 1.4支持DTV分辨率高达1080p60Hz或720P/1080i120Hz，色彩深度为24/30/36/48-位RGB/Y CbCr 4:4:4。

超高分辨率的LED显示屏的需求也在逐年上升，尤其在日益兴旺的舞台背景屏和广场广告屏，超过1K、2K的LED显示屏已经是层出不穷，就是4K2K的LED巨型屏，和3D LED显示屏也已问世。

分辨率的上升和灰阶的提高，给画面观赏效果、场景的扩展和显示质量的提高带来了好处，但对带宽和传输速率也提出了更高的要求。例如按VESA标准，显卡固定在1920×1080p分辨率，RGB 24位，并行像素频率为148.5MHz，经8B/10B转换后要求的串行通讯速率为4.455Gbps；在RGB 30位时，通讯速率为5.569Gbps；36位时，通讯速率为6.683Gbps；48位时，通讯速率为8.91Gbps。又如假定保持色深输出RGB 24位不变，帧频60Hz不变，将显卡设置在2560×1600时，并行像素频率为268.5MHz，通讯速率为8.055Gbps；若RGB为30位，要求的串行通讯速率已达10.069Gbps的总带宽。

目前LED显示屏控制系统近距离主要为双口千兆网模式，远距离为单通道1.5-3.125Gbps光纤通讯模式。然而，当视频信号带宽超过3Gbps-10Gbps时，不仅双口千兆网发送卡离指标要求相差甚远，就连单通道3.125Gbps光纤通讯卡也无能为力。当然，采用多通道双口千兆网发送技术或多3.125Gbps光纤通讯技术可以部分解决这个问题，但无疑增加了研发开销、用户成本和布线施工难度，也影响了显示质量，降低了可靠性，并非最佳方案。可以说，当前的LED显示屏控制系统，尤其是近距离双口千兆网控制系统，已滞后于视频和通信技术的发展，满足不了市场和用户的更高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED显示屏多功能控制系统，具有超高分辨率音视频播放、视频监控、网络供电、红外远控和语音通讯功能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种LED显示屏多功能控制系统，包括：计算机端的发送控制部分和屏体端的接收处理部分；所述计算机端的发送控制部分通过网线与屏体端的接收处理部分建立通信；

所述计算机端的发送控制部分包括：HDMI视频处理发送模块、网络变压器、存储器、HDMI选通器及MCU处理模块；HDMI视频处理发送模块经HDMI选通器接音视频输入接口，MCU处理模块通过并行数字接口与HDMI视频处理发送模块相连，HDMI视频处理发送模块通过网络变压器及RJ45插座输出高清音视频信号；

所述屏体端的接收处理部分包括：HDMI视频处理接收模块、网络变压器、HDMI解码器、可编程控制模块FPGA及可擦除存储器；HDMI视频处理接收模块通过网络变压器、RJ45插座经网线接收高清音视频信号，经HDMI视频处理接收模块解析信号后输入到HDMI解码器，HDMI解码器与可编程控制模块建立连接，可编程控制模块用于根据接收到的视频和控制信号完成对LED显示屏的显示控制。

优选的，所述计算机端的发送控制部分还包括用于通讯及数据传输的网络通讯链路，由集成RJ45插座经百兆以太网PHY连接到HDMI视频处理发送模块。

优选的，所述计算机端的发送控制部分还包括用于LED屏体实时视频监控的监控显示模块，通过网络RMII/MII信号接口与HDMI视频处理发送模块相连。

优选的，所述计算机端的发送控制部分还包括用于音视频扩展或分区显示的音视频辅助输出模块。

优选的，所述计算机端的接收处理部分还包括用于LED屏体实时视频监控，与所述HDMI视频处理接收模块相连的监控输入模块。

优选的，所述屏体端的接收处理部分还包括用于接收红外遥控信号，与所述HDMI视频处理接收模块相连的红外接收模块。

优选的，所述屏体端的接收处理部分还包括与所述HDMI解码器相连的，用于接收音频信号的功放模块。

优选的，所述屏体端的接收处理部分还包括与FPGA和LED显示屏屏体连接的千兆网链路矩阵，用于灵活构建不同分辨率的LED显示屏

优选的，所述LED显示屏多功能控制系统还包括与HDMI视频处理发送模块和接收模块连接的音频通讯模块，用于远程屏体端和计算机控制端的的语音双向通讯。

优选的，还包括与网络变压器连接，用于对所述屏体接收端器件和外部设备进行供电的网络供电和受电模块。

优选的，还包括用于调节或显示HDMI视频处理发送模块和HDMI视频处理接收模块工作状态的外部设备。

本发明实施例与现有技术相比，本发明采用VS1000TX和VS1000RX芯片组直接传输HDMI 1.4高清音视频，通过百兆以太网或RS-232发送和接收控制数据，屏体显示控制采用分流技术，具有以下优点：

1)具有10.2-20Gbps带宽，是传统1Gbps千兆网单线传输的10-20倍、双线传输的5-10倍，借助3×3或4×4千兆网链路矩阵，全面支持HDMI 1.4，可实现全高清显示，包括1080p60Hz48b/pixels、3D以及4K×2K格式，以及1080i，720p、720i、576p等，实际显示分辨率可按模组特点任意人工设置。

2)支持LPCM、DTS Digital、Dobly Digital(DTS-HD、DolbyTrueHD)等音频格式直接传输，无需另铺音频线路或作其它嵌入处理。

3)单条Cat.5e/6网线传输可达120米，安装简单，无需设置，即插即用。

4)具有RS-232双向通讯和百兆网络双向通讯功能，方便LED显示屏的控制和监测。

5)利用具有耳麦的耳机可进行低成本现场话音通讯，方便LED显示屏的安装、调试和维护。

6)内置红外回传信道，可实现在显示设备端对源设备的红外远程控制。

7)具有网络100W供电功能，可用于LED显示屏的供电控制和前期安装工程用户尚未供电时的系统调试，提高工程安装效率。

8)具有可选的LED屏实时视频监控回传功能。

9)具有很高的性价比，单链路就可实现超高分辨率显示，与传统的采用多控制系统拼接构成的LED大型显示屏方案相比，成本大幅度降低，分辨率越高，相应成本越低，且不存在拼缝处理和同步问题，显示质量高。

10)可选的屏体端上网功能，利用笔记本电脑，可用于远程在线升级、信息沟通和公司级文档传递及技术资料下载。

附图说明

图1是本发明计算机端的发送器部分原理框图；

图2是本发明屏体端的接收分配器部分原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的核心思想：HDMI 1.4可以支持4K2K及3D，并具有以太网和音频回授功能。HDMI1.4以太网络通道技术在单一HDMI缆线中集成视频、音频与数据流，并在专用数据通道提供高达100Mb/sec的双向高速网络功能。而HDbaseT技术以10.2-20Gbps的传输速率，能够支持最高的视频分辨率，如全高清1080p60Hz48b/pixels、3D以及4K×2K，支持HDCP。传输采用普通的超五类(或六类)非屏蔽双绞线Cat.5e/6网络线缆，连接器也采用普通的RJ45接头，而无压缩视频/音频传输距离达到了120米。

HDBaseT技术使用现有的以太网供电PoE(25W)8023.af技术和下一代的PoE+(50W)8023.at技术可以为低能耗的电子设备提供高达100瓦的设备供电，例如低功耗的蓝光播放器或者显示器，无须再用额外的电源线。

根据HDbaseT技术，本发明提出了一种10Gbps网线传输LED显示屏多功能控制系统设计方案。该方案包括两个部分，计算机端的发送控制部分和屏体端的接收处理部分，具体请参见图1、2。

请参阅图1所示，计算机端的发送控制部分包括：HDMI-i、DVI-i输入接口、HDMI2:1选通器、USB插座、USB RS-232转换芯片、MCU、集成RJ45插座、百兆网PHY、HDMI视频处理发送模块(VS100TX)、网络变压器、RJ45插座、存储器、外部设备、音频通讯模块、监控输出模块、网络供电模块、HDMI-o和DVI-o输出接口。

音视频输入通道：

VS100LED发送器支持HDMI1.4(DVD等视频源)和DVI1.0(显卡)双或三输入，通过HDMI2:1或HDMI3:1模块进行选择，选通信号来自计算机控制软件，可采用的芯片为TDA19995HL 3:1(HDMI1.4a)或TDA9995 3:1(HDMI 1.3a)、SiI9185A 3:1(HDMI1.3a)、TMDS261 2:1(HDMI 1.3a)等。HDMI2:1通过TMDS-i 3对差分数据线和一对差分时钟线将音视频信号输入到VS100TX，并接入HDMI1.4的DDC-i模式识别、HPD-i热插拔侦测和特有的CEC-i高档“消费电子设置”功能，CEC-i高档“消费电子设置”功能由计算机控制软件实现。

控制信号通道：

USB口、USB RS-232转换芯片、MCU和VS100TX通讯，可对VS100TX进行配置和对LED屏体进行控制。VS100TX嵌有RS-232双向通讯功能，正好可用于LED屏体的参数设置、亮度控制和状态监测。引入USB RS-232转换芯片则通过USB口即可实现RS-232通讯，采用的芯片有CP2102等，并配有驱动软件。MCU和VS100TX的连接线为VS100TX的低频通讯可编程并行数字接口PDIF(Programmable Data interface)，共有6个双向数据通道，总带宽最大3.2MHz，可以这样定义，一对RS-232双向信号线、一根远程IR红外控制线、一根正向音频(话筒)传送线、一根反向音频(话筒)回馈线，其余备用。MCU还可对HDMI2:1进行控制和通过VS100TX对存储器进行访问。

网络通道：

计算机通过集成的ICMS45插座(内含网络变压器和LED指示灯)和百兆网PHY连接到VS100TX，采用的数字接口为2线RMII或4线MII模式，PHY_CT为控制信号。连接计算机的网络通道可用于TCP/IP通讯，也可用于大容量数据的传输，例如LED灯的亮度、色度校正系数和LED灯的短路、开路侦测信息等。

存储器：

存储器EEPROM(或FLASH)用于存取VS100TX参数和用户信息，采用I²C或SPI总线连接，地址总线宽度一般为16bit 64K字节，I²C最大为17bit 128K字节，SPI总线最大为18bit 256K字节。EEPROM存储器可为多个，其中一个用于VS100TX的Assemble装配。

外部设备：

外部设备包括两部分，其一是LED指示灯，用于表明VS100TX的工作状态、HDBaseT link和有无HDMI信号，占用GPIO[3:0]四线；其二是VS100TX的工作模式初始化输入信号，包括手动、自动、全速、半速和低功耗设置，可用电阻或拨盘开关实现，它占用了VS100TX的GPIO[7:4]四线。

音频通讯模块：

与VS100TX连接的音频通讯模块对来自LED屏体现场的话筒信号进行DA转换处理后送入耳机插口，同时将来自耳麦的语音信号进行AD转换后通过VS100PDIF中定义的音频传送线送往屏体端，以完成主控室和远端屏体间的人工双向通话，方便调试和维护。

音视频辅助输出通道：

VS100TX具有HDMI环路输出，利用HDMI-o和DVI-o输出接口插座可实现音视频辅助输出，例如接入液晶监视器或其它视频设备，也可接入另一台LED-VS100TX发送器，用于视频的扩展或分区显示。

监控输出模块

创新设计的监控输出模块用于LED屏体的实时视频监控，通过VS100的网络通讯功能，可低成本的接收来自屏体端的视频监控信息。监控输出模块包括视频接收解码，DVI或VGA编码及相应输出插座。

网络供电模块

网络供电POE(Power Over Ethernet)指的是在现有的以太网布线基础架构不作何改动的情况下，在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电的技术，也被称为基于局域网的供电系统(POL，Power over LAN)或有源以太网(Active Ethernet)，简称为以太网供电，IEEE在2009年9月批准了新一代802.3atPoE+的标准。本源端网络供电POE-PSE(Power Sourcing Equipment)模块，向屏体端可提供100W的电源，输入电压为直流48V。

VS100TX信息处理

所有信息，包括高清音视频、以太网、RS-232信号、IR红外信号、音频(话筒)信号、其它控制信号、存储器和外部设备，均由VS100TX进行控制、混合、编码、分配、接收和传送。

10Gbps通道

VS100TX通过吉兆网络变压器和RJ45插座接出高清音视频信号，接入接出以太网、RS-232、IR红外、音频(话筒)信号和其它控制信号，并通过网线供电。

与传统方案比较，LED-VS100控制器发送端甩掉了FPGA、DVI(或HDMI解码芯片)、SDRAM和千兆网PHY，代之以Valens的VS100TX，如不考虑新增功能，发送端的成本有较大下降。

请参阅图2所示，屏体端的接收处理部分包括：RJ45插座、网络变压器、视频处理接收模块(VS100RX)、FPGA、HDMI解码器、千兆以太网PHY 1-n、集成RJ45插座1-n、动态存储器、视频输出插座、存储器、外部设备、红外接收模块、音频通讯模块、网络受电模块、功放输出模块和监控输入模块。

10Gbps通道：

VS100RX通过Cat5e网线、RJ45插座和吉兆网络变压器接入高清音视频信号，接入接出以太网、RS-232、IR红外和音频(话筒)信号和其它控制信号，并接受网络供电。

音视频输出通道：

VS100RX将接收的高清音视频信号解出后，将HDMI标准信号，包括TMDS、DDC、HDC和CEC信号输出到HDMI解码器和视频输出插座(HDMI或DVI)。HDMI解码器，例如SiI9233A(1.4a)、SiI9233(1.3a)或TDA19977A(HDMI1.4a 3输入)等，将解码生成的RGB 24/30/36/48数字视频送到FPGA，音频信号送到音频功放模块。视频输出插座用于连接液晶监视器，以便远程控制操作。

控制信号通道：

VS100RX的低频通讯可编程并行数字接口PDIF(ProgrammableData interface)中的6个双向数据通道的定义和VS100TX相对应，包括一对RS-232双向信号线通向FPGA、一根远程IR红外控制线通向红外处理模块、一对音频通讯线通向音频通讯处理模块，其余备用。

网络通道：

VS100RX的百兆网数字接口RMII/MII和PHY CT控制信号通向FPGA。

动态存储器

动态存储器SDRAM(或DDR)其功能和传统的LED控制器相同，用于缓存高清视频数据流，以便将高清视频数据转换成符合LED显示的数据格式。SDRAM(或DDR)采用多片可扩展模式，以适宜低分到高分各种不同分辨率的LED显示屏的构建。

存储器：

存储器EEPROM(或FLASH)用于存储VS100RX参数和用户信息，采用I2C SPI总线与VS100RX连接。

外部设备：

外部设备模块与图1的外部设备模块的构成和功能相同，用于指明VS100RX的工作状态和对VS100RX的工作模式进行初始化设置。

音频通讯模块：

与VS100RX连接的音频通讯模块对来自LED屏体现场的话筒信号进行AD转换处理，通过VS100PDIF中定义的音频回馈线送回主控室，同时将来自主控室的话筒音频信号进行AD转换后送入耳机，以完成主控室和远端屏体间的人工双向通话，方便调试和维护。

红外接收模块

IR红外接收模块接收红外遥控器的红外信号，借助液晶监视器显示的主控室监视器画面，一个人即可对LED显示控制系统进行远程控制和设定，方便了工程的安装、调试和维护。

监控输入模块

创新设计的监控输入模块用于LED屏体的实时视频监控，可接入数字网络监控视频或模拟监控视频经AD转换后送入具有MAC功能的FPGA，利用VS100的网络通讯功能，将屏体端的视频监控信息送回主控室。利用该监控输入模块的RJ45插座，在数字网络监控模式，还可与笔记本电脑相连接，用于远程上网在线升级、信息沟通和公司级文档传递及技术资料下载。

FPGA

大规模可编程芯片FPGA是VS100LED接收分配器的核心，由它完成RGB视频数据的接收、缓冲、转换和分配，通过RS-232接口完成对LED显示屏的控制、监测，通过MRII/MII接口实现网络通讯和LED视频监控，并实现LED显示屏的实时显示。

LED视频输出

LED视频输出是VS100LED接收分配器的最后一个环节，是实现LED显示的重要部分。考虑到成本和原有屏体控制器的兼容因素，本方案采用1Gbps带宽的千兆网分区通讯控制模式，共2×2＝4或3×3＝9或4×4＝16个千兆网链路矩阵组成4-9-16Gbps的总带宽并行数据输出，一条千兆网通讯链路包括一个千兆网PHY和一个千兆集成RJ45插座，足以满足当前全部高分辨率和高灰度屏应用。下面分析一下n＝9路千兆网链路可支持的显示模式，先分析一路千兆网的运行能力。千兆网PHY是8位并行数据输入(总线的时钟为125MHz)，而计算机在每色8bit模式，一个像素的数据输出为RGB 24位(像素频率在1024×768显示分辨率为65MHz)，就是说，千兆网PHY要运行3个时钟周期，即0.024uS才能送出一个像素的全部数据。一路千兆网支持的像素容量需满足下列公式：像素周期Tp×像素列数Cn×像素行数Rn×1.05＜帧周期T_V。其中：像素周期Tp＝0.024uS，1.05是考虑了行、帧逆程的系数，帧周期T_V＝16666.667uS，设像素列数Cn＝1024，则一路千兆网支持的最大行数为645行，考虑到LED显示屏的模组一般为48行或64行，可定为576或624或640行，即一路千兆网支持的最大分辨率为1024×640，总像素容量为640K。如此，在RGB 24显示模式，两路千兆网就可支持2048×640或1024×1280，4路千兆网就可支持4096×640或2048×1280，六路千兆网就可支持2048×1920或3072×1280，八路千兆网就可支持4096×1280或2048×2560，九路千兆网就可支持3072×1920，满足显卡WQXGA(Wide Quad-XGA)2560×1600模式显示卓卓有余。2×2、3×3、4×4千兆网矩阵可灵活构建长条、16:9或4:3各种分辨率和超高分辨率的LED显示屏。表1为2×2、3×3、4×4千兆网矩阵在长条、16:9或4:3模式，每色灰度为8、10、12、16bit，即RGB为24、30、36、48bit时，可实现的各种分辨率和超高分辨率显示数据。

表1

上述表格说明，4×4＝16Gbps的千兆网播放矩阵，在播放RGB24数据时，最高可支持4096×2560(大于4K2K)的超大LED显示屏，即使是播放未来帧频为120Hz的RGB48的3D高清1920×1080p视频，其能力也是游刃有余了。3×3＝9Gbps的千兆网播放矩阵，适于当前10.2Gbps速率的VS100芯片，4×4＝16Gbps的千兆网播放矩阵适于20Gbps速率的VS100升级版本。

VS100RX信息处理

所有信息，包括高清音视频、以太网、RS-232信号、IR红外信号、音频(话筒)信号及其它控制信号、存储器和外部设备，均由VS100RX分别进行控制、管理、解码、混合、接收和传送。

功放

功放模块对来自HDMI解码芯片的原始高品质音频信号进行处理和放大后输出到音箱，以实现高保真的音响播放。该模式和传统的LED控制器将音频单独处理后再嵌入视频数据流传送或另铺音频线路的方法相比，其优越性显而易见。

视频输出接口

视频输出接口(HDMI或DVI插座)用于屏体端的液晶监视器，与源端的监视器同步，用于远端监控和遥控。该功能传统的LED控制器是没有的。

网络受电模块

网络受电POE-PD(Power Device)模块，是在屏体端接受源端提供的100W电源，其电路包括双全桥整流和DCDC电路等，输出直流+5V和+12V电源，可给VS100RX接收分配板和其它设备供电。此功能可用于LED显示屏的供电控制，尤其是还可用于屏体前期安装工程，当屏体安装完毕而用户尚未供电时，在现场提前进行系统和单个模块调试，烙铁可采用12V直流电烙铁，非常方便，大大提高了工程效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，包括：计算机端的发送控制部分和屏体端的接收处理部分；所述计算机端的发送控制部分通过网线与屏体端的接收处理部分建立通信；

2.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述计算机端的发送控制部分还包括用于通讯及数据传输的网络通讯链路，由集成RJ45插座经百兆以太网PHY连接到HDMI视频处理发送模块。

3.如权利要求2所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述计算机端的发送控制部分还包括用于LED屏体实时视频监控，通过网络RMII/MII信号接口与所述HDMI视频处理发送模块相连的监控显示模块。

4.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述计算机端的发送控制部分还包括用于音视频扩展或分区显示的音视频辅助输出模块。

5.如权利要求2所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述计算机端的接收处理部分还包括用于LED屏体实时视频监控，与所述HDMI视频处理接收模块相连的监控输入模块。

6.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述屏体端的接收处理部分还包括用于接收红外遥控信号，与所述HDMI视频处理接收模块相连的红外模块。

7.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述屏体端的接收处理部分还包括与所述HDMI解码器相连的，用于接收音频信号的功放模块。

8.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，所述屏体端的接收处理部分还包括与FPGA和LED显示屏屏体连接的千兆网链路矩阵，用于灵活构建不同分辨率的LED显示屏。

9.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，还包括与所述HDMI视频处理发送模块和接收模块连接的音频通讯模块，用于远程屏体端和计算机控制端的的语音双向通讯。

10.如权利要求1所述的LED显示屏多功能控制系统，其特征在于，还包括与所述网络变压器连接，用于对LED屏体设备端进行供电的网络供电和受电模块。