基于FPGA的大屏幕全彩LED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(包括灰度級數(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?利用“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?？梢?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的存儲和讀取、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,FPGA 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