LED顯示屏高灰度掃描控制的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：本文在分析LED顯示屏的顯示掃描控制方法的基礎(chǔ)上，提出了用并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高灰度掃描控制的方案，設(shè)計(jì)了基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片，并結(jié)合外圍電路、顯示面板及計(jì)算機(jī)構(gòu)成了LED大屏幕顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了LED顯示屏的256級灰度顯示，在簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的前提下取得了清晰穩(wěn)定的畫面顯示。

1介紹

LED（lightemittingdiode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，能勝任各種場合實(shí)時(shí)性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。LED大屏幕是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖像、行情等各種信息以及電視、錄像信號，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習(xí)、電子景觀等領(lǐng)域。

本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅(qū)動芯片，在大屏幕LED顯示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了從白到黑的多色彩的256級灰度顯示，畫面穩(wěn)定清晰，取得了良好的視覺效果。

2大屏幕LED的系統(tǒng)構(gòu)成

考慮到LED電氣特性以及機(jī)械安裝等實(shí)際應(yīng)用的要求，無論是室內(nèi)LED電子顯示系統(tǒng)或是室外LED電子顯示屏，在結(jié)構(gòu)上都采用了標(biāo)準(zhǔn)單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32個(gè)顯示象素?zé)艄軜?gòu)成一個(gè)單元塊。每一個(gè)單元塊形成自身獨(dú)立的電子掃描功能、控制功能、存儲功能，并以此構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)；然后，再由各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源以及通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點(diǎn)陣LED大屏幕電子顯示系統(tǒng)，外加一定的計(jì)算機(jī)控制部件、帶有數(shù)字化分量輸出的多媒體卡或DVI卡及電源記憶通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點(diǎn)陣LED大屏幕電子顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其中的核心部分是LED掃描控制芯片，這個(gè)也是本文所要討論的重點(diǎn)。該芯片為8位并行輸入的LED顯示驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可驅(qū)動16×8的LED屏體，應(yīng)用在LED大屏幕上可以通過多片級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)LED大屏幕的顯示。

圖1LED大屏幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3LED掃描方法和控制芯片的研究

1、灰度掃描方法的研究

對高灰度級LED大屏幕顯示而言，灰度的分層（灰度掃描）方法是視頻控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時(shí)間近似成正比，所以灰度等級的實(shí)現(xiàn)通常是由控制LED的發(fā)光時(shí)間與掃描周期的比值，即采用調(diào)制占空比來實(shí)現(xiàn)的。

（1）灰度掃描約束公式

設(shè)顯示灰度等級數(shù)為N,由于灰度級為1的像素在屏體的對應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r間為td,因而灰度線性調(diào)制后灰度級為i的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為itd,灰度級最高的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為（N一l）×td.通常的考慮是在td內(nèi)完成對存儲器一行數(shù)據(jù)的一次讀出，同時(shí)以td為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打人到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N個(gè)灰度級數(shù)，幀掃描周期為：

T=n×td×m（1）

屏體顯示效率：η=(N一l)×td×m/T=(N一l)/N(2)

設(shè)視頻數(shù)據(jù)輸人速率為VI,存儲器讀出速率為Vo,由于必須在td內(nèi)完成存儲單元內(nèi)一行數(shù)據(jù)的一次讀出，故有：Vo/Vi>=h/(td×n)(3)

設(shè)λ為存儲器讀出與輸人速率的比值，即λ=Vo/Vi,將（l）式代人（3）式中，有：λ>=h×N×m/(T×n)(4)

為保證圖像的穩(wěn)定顯示，掃描幀頻必須足夠高，設(shè)F>=F0（即T=T0,T0=1/F0），F(xiàn)0為人眼可接受的掃描幀頻（F0>=60），代入（4）式得：

λ>=h×N×m/(T0×n)（5)

代入（1）式得：td=T0/(N×m)(6)

式（5）和（6）即為灰度掃描約束公式。

（2）256灰度級全屏掃描

對于256灰度級全屏掃描，高的灰度級數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數(shù)，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當(dāng)灰度級數(shù)較高時(shí)，以目前的集成電路實(shí)現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結(jié)構(gòu)，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復(fù)雜程度也有所增加；另一種方法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中，這種方法經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是可行的。

設(shè)計(jì)中考慮到幀頻與LED屏體顯示效率的折中，采用λ=l,td=h/16,即存儲器讀出速率等于數(shù)據(jù)輸人速率，顯示基本時(shí)間單位為1/16倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^對灰度數(shù)據(jù)按位分時(shí)顯示的方法實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)屏幕圖像以每像素24bit輸出（紅、綠、藍(lán)各8bit）時(shí)，通過給每種顏色sbit字節(jié)的不同位分配不同的顯示時(shí)間達(dá)到灰度顯示的目的。比如，最低位（第8位）對應(yīng)1/16行顯示時(shí)間，第7位對應(yīng)1/8行顯示時(shí)間，?,第2位對應(yīng)4行顯示時(shí)間，最高位對應(yīng)8行顯示時(shí)間。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間以行周期為單位，最低位對應(yīng)更新時(shí)間為1行時(shí)間，其中顯示1/l6行時(shí)間，其余15/16行時(shí)間里，由控制電路產(chǎn)生消隱信號進(jìn)行消隱，其余位類同。

2、LED掃描控制芯片

通過數(shù)據(jù)比較之后，本論文采用了恒流源驅(qū)動方式，設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)從白到黑的256級灰度顯示的控制單元。該顯示控制芯片具有與時(shí)鐘同步的8位并行輸入端口，內(nèi)含16個(gè)8位的移位寄存器和16個(gè)8位的數(shù)據(jù)鎖存器，可以對8位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行移位并鎖存。圖2為該掃描和顯示控制芯片的電路圖。

圖2.掃描和顯示控制芯片電路圖

當(dāng)電路開始工作時(shí)，8位并行數(shù)據(jù)在移位時(shí)鐘脈沖的作用下打入芯片的移位寄存器模塊中，其內(nèi)部含有16個(gè)移位寄存器，故移位16次后，數(shù)據(jù)將從該芯片的DOUT0~DOUT7輸出到下一芯片；同時(shí)將移位所得的16個(gè)8位數(shù)據(jù)輸入到鎖存器中鎖存。這時(shí)只要輸出控制信號為低，并給出同名行的行選通信號同時(shí)使輸出開放，各列即可開始輸出恒流，同時(shí)8位計(jì)數(shù)器開始對灰度級時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與該列所存儲的灰度值相等時(shí)，該列的恒流輸出結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)LED的顯示時(shí)間控制，即占空比控制。若采用10個(gè)該顯示控制單元級聯(lián)驅(qū)動LED顯示屏，則一直并行移位160次就可完成第一行數(shù)據(jù)的傳輸。