基于FPGA全彩LED顯示屏的掃描控制器設(shè)計(jì)

1 、引言

　　作為大型平板顯示設(shè)備的一種，LED顯示屏以其使用壽命長、維護(hù)費(fèi)用低、功耗低等特點(diǎn)在顯示領(lǐng)域占有重要的位置。特別在近年，帶有紅、綠、藍(lán)三基色以及灰度顯示效果的全彩LED 顯示屏，以其豐富多彩的顯示效果而倍受業(yè)界關(guān)注，成為LED 顯示屏市場近年增長幅度比較大的產(chǎn)品。壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點(diǎn)距、對比度、灰度等級(jí)(包括灰度級(jí)數(shù)和線性度) 、掃描頻率等指標(biāo)性能是衡量或橫向比較大型顯示設(shè)備好壞的標(biāo)準(zhǔn)。而這些指標(biāo)性能的優(yōu)劣，很大程度上決定于掃描控制器的性能。因此對大屏幕全彩L ED 顯示掃描控制方法的研究有著重要的意義。

　　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)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)的。全彩LED 顯示屏一般采用逐位點(diǎn)亮的掃描方式實(shí)現(xiàn)灰度圖像顯示。對于顯示灰度級(jí)數(shù)為8 位的LED 顯示屏，一般采用“19場掃描”原理來實(shí)現(xiàn)256 級(jí)灰度顯示。L ED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)更新一般采用串行輸出方式，如采用595 進(jìn)行設(shè)計(jì)的靜態(tài)LED 全彩顯示屏，根據(jù)“19 場掃描”原理，對于分辨率等規(guī)格確定的屏體，當(dāng)串行移位時(shí)鐘確定時(shí)，顯示屏的刷新頻率和LED 的發(fā)光效率(一個(gè)掃描周期內(nèi)，LED的最長點(diǎn)亮?xí)r間所占的比例) 也就被確定。本文提出了一種新的逐位點(diǎn)亮掃描方式，該方式對典型的“19場掃描”方式進(jìn)行了改進(jìn)，可以在串行移位時(shí)鐘確定的條件下，在一定范圍內(nèi)對刷新率和發(fā)光效率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高了產(chǎn)品根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境和客戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的靈活性。

　　2、逐位點(diǎn)亮的灰度實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)

　　以8 位“19場掃描”理論為例，所謂逐位點(diǎn)亮，即從一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數(shù)據(jù)，分8 次點(diǎn)亮對應(yīng)的像素，每一位對應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間與關(guān)斷時(shí)間的占空比不同。如果點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位依次倍增，則合成的點(diǎn)亮?xí)r間將會(huì)有256 種組合。定義D0 位對應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間加上關(guān)斷時(shí)間為一個(gè)時(shí)間單位，設(shè)為T ，可得表1 所示各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間。

　　表1 “19場掃描”顯示時(shí)各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間

在實(shí)際設(shè)計(jì)中， T也是對LED 顯示屏進(jìn)行一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時(shí)間。表1 所示的總時(shí)間是T 的整數(shù)倍，所以每個(gè)數(shù)據(jù)位所占用的總時(shí)間可以通過刷新一次屏幕數(shù)據(jù)來進(jìn)行定時(shí)。在進(jìn)行LED顯示屏設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)顯示屏中LED 的亮與滅可以通過總控線EN 控制，當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間≥1 T時(shí)，EN 控制顯示屏處于常亮狀態(tài)，而當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間 1 T 時(shí)，可以通過控制EN 產(chǎn)生相應(yīng)占空比的控制波形來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)位的亮度控制?？梢姡?ldquo;19場掃描”原理，在串行移位時(shí)鐘和屏體具體規(guī)格確定的情況下，其刷新率也就被確定了，并且具有固定的發(fā)光效率η。

　　η =6 點(diǎn)亮?xí)r間6 總時(shí)間≈ 16 T19 T≈ 84 % (1)由灰度顯示的原理可以知道，能否實(shí)現(xiàn)灰度顯示，決定于各個(gè)數(shù)據(jù)位的點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位是否以2 的倍數(shù)遞增，而關(guān)斷時(shí)間的長短只會(huì)影響發(fā)光效率的大小。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用了8～10 位的非線性灰度校正，因此需要實(shí)現(xiàn)10位灰度掃描控制。定義“t”為點(diǎn)亮?xí)r間的一個(gè)時(shí)間單位，則可得表2 所示的時(shí)間分配。如果定義數(shù)據(jù)為“1”有效(點(diǎn)亮) “， 0”無效(熄滅) ，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)從000H 到3FFH 變化時(shí)，點(diǎn)亮?xí)r間在0t～1 023t 變化，而亮度控制總時(shí)間則保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了10 位占空比控制，采用這種灰度控制方法可以實(shí)現(xiàn)1 024 級(jí)的灰度顯示。與“19 場掃描”原理不同，本文控制點(diǎn)亮的時(shí)間不是通過屏幕刷新來實(shí)現(xiàn)，而是采用單獨(dú)的計(jì)數(shù)器來進(jìn)行計(jì)時(shí)控制的。

　　表2 　逐位點(diǎn)亮控制中各位數(shù)據(jù)點(diǎn)亮?xí)r間分配表

　　設(shè)使用串行方式更新整場視頻圖像一位數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間為Ts ，如果Ts 滿足:

　　則完成一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時(shí)間在Dn - 1位所需要的點(diǎn)亮?xí)r間和Dn 位的點(diǎn)亮?xí)r間之間，這個(gè)時(shí)間也許小于一個(gè)時(shí)間t。由于串行數(shù)據(jù)更新時(shí)間和點(diǎn)亮?xí)r間可以部分重疊，設(shè)屏幕的刷新率(即顯示數(shù)據(jù)幀從顯示緩存讀出進(jìn)行屏幕顯示更新的頻率) 為f r ，可以得到式(3) 。

　　當(dāng)串行時(shí)鐘頻率和屏體參數(shù)確定， Ts 便可計(jì)算出來。此時(shí)，如果設(shè)定了屏幕的刷新率，結(jié)合式(2) 和式(3) ，對n 從0～9 進(jìn)行窮舉計(jì)算，可以得到同時(shí)滿足兩式條件的n 值，同時(shí)可以確定單位時(shí)間t 的值。由此得到的t 值，通過FPGA 進(jìn)行定時(shí)控制，便可實(shí)現(xiàn)一定刷新率的全彩灰度控制。

　　這里L(fēng)ED 的發(fā)光效率可以用式(4) 表示。

　　從式(3) 可知，當(dāng)串行移位時(shí)鐘頻率一定，即Ts 確定的情況下，刷新率f r 與單位時(shí)間t 成反比。而式(4) 表明，發(fā)光效率η和單位時(shí)間t 成正比。可見，刷新率和發(fā)光效率成反比關(guān)系，提高刷新率的同時(shí)必然要犧牲發(fā)光效率。因此，采用上述掃描方式，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和客戶的要求在刷新率和發(fā)光效率兩者之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

　　如果要求系統(tǒng)的全彩灰度控制符合“19 場原理”的顯示效果，則由表2 可得表3 所示的關(guān)斷時(shí)間t0 ～t9 的值。結(jié)合表3 中t0 ～ t9 的值，對表2中總時(shí)間各項(xiàng)進(jìn)行求和，便可得總時(shí)間為Ta =1 152t ，根據(jù)1 152t = 1/ f r 可得到t 值。

　　表3 逐位點(diǎn)亮控制中符合“19 場掃描”時(shí)各位數(shù)據(jù)關(guān)斷時(shí)間分配表在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，掃描板每個(gè)輸出端口分別控制16 ×48 分辨率的靜態(tài)顯示屏模塊，紅、綠、藍(lán)三色顯示數(shù)據(jù)采用3 根數(shù)據(jù)線分別輸出，串行移位時(shí)鐘頻率為6. 25 MHz ，顯示屏刷新頻率設(shè)計(jì)要求為120 Hz ，利用以上的結(jié)論可得:

　　Ts = 16×48×16125×106 s = 122188μs然后進(jìn)行窮舉計(jì)算，如表4 所示，可以得到單位時(shí)間t 的值為7. 780μs。

　　表4 對n 進(jìn)行窮舉計(jì)算得到單位時(shí)間t 的值根據(jù)式(4) ，可計(jì)算得到發(fā)光效率η = 1023tf r = 1023 ×71780 ×10- 6 s ×120Hz = 9515 %

　　3、 FPGA 電路設(shè)計(jì)

　　視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實(shí)時(shí)處理，加之全彩大屏幕LED 控制器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字邏輯相當(dāng)復(fù)雜，采用CPLD/ FPGA 設(shè)計(jì)控制電路，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試。本文設(shè)計(jì)的掃描控制器應(yīng)用于大屏幕全彩LED 脫機(jī)視頻播放系統(tǒng)中。其中涉及到視頻信號(hào)的存儲(chǔ)和讀取、視頻數(shù)據(jù)的傳輸和接收、灰度顯示控制電路、LED 點(diǎn)陣顯示驅(qū)動(dòng)電路等。本文主要對灰度顯示控制電路進(jìn)行討論，控制對象為以紅、綠、藍(lán)三色LED 組成的全彩靜態(tài)顯示屏。實(shí)現(xiàn)灰度顯示控制器的FPGA 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　在LED 顯示屏掃描控制電路中，F(xiàn)PGA 是其中最主要的邏輯控制器件，主要實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)接收、非線性灰度校正和掃描信號(hào)產(chǎn)生功能。FP2GA 內(nèi)部各個(gè)電路模塊相互協(xié)調(diào)運(yùn)作，將數(shù)據(jù)輸入和顯示輸出連接起來，實(shí)現(xiàn)L ED 顯示屏的全彩視頻播放。

　　作為一個(gè)獨(dú)立的顯示系統(tǒng)，普通的RS232 、RS485 總線方式已不能滿足L ED 顯示屏進(jìn)行多媒體視頻播放所要達(dá)到的高數(shù)據(jù)速率傳輸要求。以512 ×256 的全彩顯示屏為例，當(dāng)要求系統(tǒng)換幀頻率達(dá)到30 Hz 時(shí)，需要的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)94. 4 Mbp s。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，視頻數(shù)據(jù)的傳輸和接收采用RTL8201 設(shè)計(jì)的100 M 以太網(wǎng)控制器來完成。

　　為了使視頻播放連續(xù)平滑，在數(shù)據(jù)接收過程中不能打斷顯示，這里采用兩組SRAM 進(jìn)行“乒乓操作”，使顯示數(shù)據(jù)的接收存儲(chǔ)和讀取能夠同時(shí)進(jìn)行， 從而實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的無縫緩沖和處理 ， 如圖2 所示。換幀信號(hào)FRAME _SWITCH 是用來切換工作SRAM 組的，該信號(hào)決定兩組SRAM 哪一組處于讀狀態(tài)，哪一組處于寫入狀態(tài)。RTL8201 數(shù)據(jù)接收模塊建立MII 接口，實(shí)現(xiàn)與RTL8201 的接口，把MII 接口傳送過來的半字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為24 位RGB 數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)在SRAM 里。RTL8201 每接收完一幀顯示數(shù)據(jù)，則對換幀信號(hào)FRAME_ SWITCH 進(jìn)行求反，將兩組SRAM 的讀寫位置切換過來，使顯示屏顯示最新接收到的幀數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)換幀操作。

　　由于LED 顯示屏包含4 列相互獨(dú)立的顯示模塊，因此掃描控制電路需要提供4 路RGB 數(shù)據(jù)輸出接口， 在圖1 中表示為RGB0 ～ RGB3 。

　　CLOCK_OUT 為移位時(shí)鐘信號(hào)輸出端口，RGB0～RGB3 在該時(shí)鐘的上升沿有效，各個(gè)端口的紅、綠、藍(lán)三色顯示數(shù)據(jù)通過時(shí)鐘脈沖信號(hào)分別逐位移入驅(qū)動(dòng)芯片的顯示緩存。LA TCH 信號(hào)為串行數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后需要進(jìn)行顯示刷新時(shí)的鎖存脈沖。EN 為灰度控制信號(hào)，當(dāng)EN 有效時(shí)，L ED 可以隨輸入數(shù)據(jù)的0 、1 狀態(tài)熄滅或者點(diǎn)亮，其有效時(shí)間寬度對應(yīng)為表2 所示的點(diǎn)亮?xí)r間。

　　EN 信號(hào)產(chǎn)生模塊為實(shí)現(xiàn)灰度圖像顯示的重要模塊，該模塊將輸入的位計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)位的點(diǎn)亮?xí)r間，并進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間長度的亮度控制。

　　在本設(shè)計(jì)中，輸入的灰度信號(hào)為256 級(jí)，考慮到反γ非線性校正過程引起的灰度損失，將輸出的灰度級(jí)別定義為1 024 級(jí)，因此需要得到10 位灰度數(shù)據(jù)各個(gè)位對應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間。依據(jù)“灰度實(shí)現(xiàn)原理”，10 位灰度數(shù)據(jù)各個(gè)數(shù)據(jù)位對應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間從D0 ～D9 分別從1 T 倍增為512 T ，點(diǎn)亮總時(shí)間為1 023 T 。

　　由于驅(qū)動(dòng)板中驅(qū)動(dòng)芯片有二級(jí)緩存功能，所以更新數(shù)據(jù)和點(diǎn)亮L ED 這兩個(gè)控制過程可以部分重疊，從而得到圖3 所示的LED顯示屏灰度控制流程。更新第0 位數(shù)據(jù)時(shí)點(diǎn)亮?xí)r間為512 T 、更新第1 位數(shù)據(jù)時(shí)點(diǎn)亮?xí)r間為1 T ...依次類推，更新第n 位數(shù)據(jù)時(shí)，控制點(diǎn)亮的時(shí)間為上一次所更新的位所需要的點(diǎn)亮?xí)r間。

　　4、結(jié)論

　　討論了一種大屏幕全彩L ED 顯示屏設(shè)計(jì)的掃描控制器設(shè)計(jì)方案，通過對“19 場掃描”實(shí)現(xiàn)方法的分析，針對其不足之處，提出了一種新式的逐位點(diǎn)亮灰度控制方法。該控制方法使得在全彩LED 顯示屏的設(shè)計(jì)中，可以在L ED 的發(fā)光效率和刷新率之間進(jìn)行靈活的調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用FP2GA 控制芯片為設(shè)計(jì)平臺(tái)來完成掃描控制電路的實(shí)現(xiàn)，借助EDA 開發(fā)工具，降低了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度，縮短了項(xiàng)目的開發(fā)周期。