基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片設(shè)計(jì)

一、介紹
LED(light emitting diode)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(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn), 能勝任各種場(chǎng)合實(shí)時(shí)性、多樣性、動(dòng)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(guò)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(hào), 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(huì)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[1]。
本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅(qū)動(dòng)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(jí)灰度顯示[2]，畫(huà)面穩(wěn)定清晰，取得了良好的視覺(jué)效果。
二、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(wú)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(chǔ)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(dòng)部件后就構(gòu)成了全點(diǎn)陣LED大屏幕
電子顯示系統(tǒng)[2]，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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)，可驅(qū)動(dòng)16×8的LED屏體，應(yīng)用在LED大屏幕上可以通過(guò)多片級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)LED大屏幕的顯示。

三、LED掃描方法和控制芯片的研究
1、灰度掃描方法的研究
對(duì)高灰度級(jí)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(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。
(l)灰度掃描約束公式
設(shè)顯示灰度等級(jí)數(shù)為N，由于灰度級(jí)為1的像素在屏體的對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r間為td，因而灰度線性調(diào)制后灰度級(jí)為i的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為itd，灰度級(jí)最高的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為(N一l)×td。通常的考慮[3]是在td內(nèi)完成對(duì)存儲(chǔ)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(jí)數(shù)，幀掃描周期為: T=n× td ×m (l)；
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(chǔ)器讀出速率為Vo，由于必須在td內(nèi)完成存儲(chǔ)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(chǔ)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)，代人(4)式得λ>= h×N×m/(T0×n) (5)；
代人(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(jí)全屏掃描
對(duì)于256灰度級(jí)全屏掃描，高的灰度級(jí)數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲(chǔ)器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級(jí)數(shù)，就必須提高存儲(chǔ)器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當(dāng)灰度級(jí)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。