LED顯示屏高灰度掃描控制的FPGA實(shí)現

摘要：本文在分析LED顯示屏的顯示掃描控制方法的基礎上，提出了用并行結構實(shí)現高灰度掃描控制的方案，設計了基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片，并結合外圍電路、顯示面板及計算機構成了LED大屏幕顯示系統，實(shí)現了LED顯示屏的256級灰度顯示，在簡(jiǎn)化系統硬件結構的前提下取得了清晰穩定的畫(huà)面顯示。

1介紹

LED（lightemittingdiode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構成。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、響應速度快、驅動(dòng)簡(jiǎn)單、壽命長(cháng)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，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現代信息發(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，被廣泛應用于工業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習、電子景觀(guān)等領(lǐng)域。

本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅動(dòng)芯片，在大屏幕LED顯示系統中實(shí)現了從白到黑的多色彩的256級灰度顯示，畫(huà)面穩定清晰，取得了良好的視覺(jué)效果。

2大屏幕LED的系統構成

考慮到LED電氣特性以及機械安裝等實(shí)際應用的要求，無(wú)論是室內LED電子顯示系統或是室外LED電子顯示屏，在結構上都采用了標準單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32個(gè)顯示象素燈管構成一個(gè)單元塊。每一個(gè)單元塊形成自身獨立的電子掃描功能、控制功能、存儲功能，并以此構成一個(gè)獨立的子系統；然后，再由各個(gè)標準源以及通訊驅動(dòng)部件后就構成了全點(diǎn)陣LED大屏幕電子顯示系統，外加一定的計算機控制部件、帶有數字化分量輸出的多媒體卡或DVI卡及電源記憶通訊驅動(dòng)部件后就構成了全點(diǎn)陣LED大屏幕電子顯示系統。該系統的結構框圖如圖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顯示驅動(dòng)結構，可驅動(dòng)16×8的LED屏體，應用在LED大屏幕上可以通過(guò)多片級聯(lián)來(lái)實(shí)現LED大屏幕的顯示。

圖1LED大屏幕系統結構框圖

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計的關(guān)鍵，由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內的發(fā)光時(shí)間近似成正比，所以灰度等級的實(shí)現通常是由控制LED的發(fā)光時(shí)間與掃描周期的比值，即采用調制占空比來(lái)實(shí)現的。

（1）灰度掃描約束公式

設顯示灰度等級數為N,由于灰度級為1的像素在屏體的對應點(diǎn)亮時(shí)間為td,因而灰度線(xiàn)性調制后灰度級為i的數據顯示時(shí)間為itd,灰度級最高的數據顯示時(shí)間為（N一l）×td.通常的考慮是在td內完成對存儲器一行數據的一次讀出，同時(shí)以td為周期將讀出的一行數據打人到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N個(gè)灰度級數，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)

設視頻數據輸人速率為VI,存儲器讀出速率為Vo,由于必須在td內完成存儲單元內一行數據的一次讀出，故有：Vo/Vi>=h/(td×n)(3)

設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)

為保證圖像的穩定顯示，掃描幀頻必須足夠高，設F>=F0（即T=T0,T0=1/F0），F0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、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，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當灰度級數較高時(shí)，以目前的集成電路實(shí)現水平難以達到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結構，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復雜程度也有所增加；另一種方法是適當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)踐驗證是可行的。

設計中考慮到幀頻與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據輸人速率，顯示基本時(shí)間單位為1/16倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^(guò)對灰度數據按位分時(shí)顯示的方法實(shí)現，即計算機屏幕圖像以每像素24bit輸出（紅、綠、藍各8bit）時(shí)，通過(guò)給每種顏色sbit字節的不同位分配不同的顯示時(shí)間達到灰度顯示的目的。比如，最低位（第8位）對應1/16行顯示時(shí)間，第7位對應1/8行顯示時(shí)間，?,第2位對應4行顯示時(shí)間，最高位對應8行顯示時(shí)間。屏體數據更新時(shí)間以行周期為單位，最低位對應更新時(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(lèi)同。

2、LED掃描控制芯片

通過(guò)數據比較之后，本論文采用了恒流源驅動(dòng)方式，設計了一款可以實(shí)現從白到黑的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，內含16個(gè)8位的移位寄存器和16個(gè)8位的數據鎖存器，可以對8位并行數據進(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

當電路開(kāi)始工作時(shí)，8位并行數據在移位時(shí)鐘脈沖的作用下打入芯片的移位寄存器模塊中，其內部含有16個(gè)移位寄存器，故移位16次后，數據將從該芯片的DOUT0~DOUT7輸出到下一芯片；同時(shí)將移位所得的16個(gè)8位數據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(kāi)放，各列即可開(kāi)始輸出恒流，同時(shí)8位計數器開(kāi)始對灰度級時(shí)鐘進(jìn)行計數，當計數值與該列所存儲的灰度值相等時(shí)，該列的恒流輸出結束，從而實(shí)現相應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)驅動(dòng)LED顯示屏，則一直并行移位160次就可完成第一行數據的傳輸。