LED全彩屏數字視頻信號處理電路的設計

1 引 言

LED視頻顯示屏由于亮度高、視角廣、壽命長(cháng)、性?xún)r(jià)比高，而且具有可與計算機同步顯示各種文字、圖形、圖像，可實(shí)時(shí)播放電視、錄像、影碟等視頻信號，可即時(shí)輸入、編輯各種多媒體數據等優(yōu)點(diǎn)，使其在街頭、廣場(chǎng)、商業(yè)中心、運動(dòng)場(chǎng)所、娛樂(lè )場(chǎng)所、控制中心許多公共場(chǎng)合得到了廣泛的應用。但是由于技術(shù)的問(wèn)題，特大視頻顯示屏還面臨著(zhù)嚴峻的挑戰，主要表現在灰度級低，亮度損失嚴重，刷新速度低。另外，本文的視頻信號源來(lái)自DVI(Digital Video InteRFace)接口，DVI接口輸出的為數字視頻信號，信息量大，一般是先經(jīng)過(guò)外部RAM(Random Array Memory)緩存，然后由處理器對視頻信號進(jìn)行處理?？捎糜?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/數字">數字圖像存儲的外部存儲器有很多種，如SRAM，DRAM和SDRAM，它們的容量和速度各不相同。DRAM和SDRAM屬于動(dòng)態(tài)存儲器，容量大，使用中需要刷新，當處理器沒(méi)有外部動(dòng)態(tài)RAM接口時(shí)，就需要設計刷新電路，這給系統應用帶來(lái)不便；SRAM不用刷新，不需要專(zhuān)用接口，實(shí)時(shí)性好，并且可以進(jìn)行跳地址尋址，所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲器。采用分場(chǎng)分區存儲技術(shù)，使刷新頻率大為提高，圖像顯示效果清晰穩定，實(shí)現了分辨率800×256，刷新頻率90 Hz，紅綠藍三色256×256×256灰度級的視頻顯示系統。同時(shí)，采用該技術(shù)，亮度和灰度級方便可調，亮度損失小。

2 系統組成

LED視頻顯示系統總體框圖如圖1所示：該系統由發(fā)送和接收兩部分組成，發(fā)送部分的功能主要是對DVI接口傳輸的視頻信號進(jìn)行編解碼形成24 b真彩色視頻數據和點(diǎn)時(shí)鐘(CLK)，行同步信號(HS)，場(chǎng)同步信號(VS)，數據有效信號(DE)等控制信號，通過(guò)LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸到接收卡上，經(jīng)過(guò)接收卡的數據處理傳送給具有特定驅動(dòng)結構(1／8掃描方式，74HC595驅動(dòng)芯片)韻LED大屏。本文的重點(diǎn)是介紹接收卡的數據處理模塊。

3 數據處理

數據處理流程如圖2所示：接收卡接收發(fā)送卡傳輸過(guò)來(lái)的視頻信號(控制信號和數據信號)，將視頻信號中的數據經(jīng)過(guò)位面分離，分場(chǎng)存入外部緩存，然后分區讀出，傳送給顯示驅動(dòng)屏。其中位面分離模塊將不同數據的同權位重新組合成新的數據存儲在存儲器中。外部緩存采用兩個(gè)SRAM乒乓緩存的技術(shù)，實(shí)現數據的流水線(xiàn)處理。下面分別介紹位面分離模塊和分場(chǎng)分區存儲的原理和實(shí)現。

3.1 位面分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級控制方式為分場(chǎng)疊加與占空比相結合的方式，如表1所示：其中分場(chǎng)疊加是指用不同場(chǎng)次的恒頻掃描來(lái)實(shí)現不同灰度級，如表1 的D7～D4；占空比控制是指控制點(diǎn)亮時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的占空比來(lái)實(shí)現灰度的調節，如表1的D3～D0。而這兩種方式的前提都是要實(shí)現視頻數據的位面分離。位面分離用FPGA來(lái)實(shí)現，一共包括兩大模塊，數據移位寄存器和數據選擇器。用VHDL實(shí)現的原理框圖如圖3所示，其中r0-7，g0-7，b0-7分別是真彩色圖像數據的紅綠藍三色，分別占用一個(gè)字節。把這24位數據線(xiàn)分別通過(guò)一個(gè)8位寬數據移位寄存器寄存，然后通過(guò)一個(gè)顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過(guò)控制緩存器的地址實(shí)現位面分離，外部緩存的數據寬度為24位，使RGB三種顏色并行進(jìn)行位面分離。其中移位寄存器使用了流水線(xiàn)的技術(shù)，在鎖存輸出前8個(gè)數據的同權位的同時(shí)，移進(jìn)第9個(gè)數據的同權位，這樣提高了數據處理的效率。

3.2 分場(chǎng)分區存儲

數據經(jīng)過(guò)位面分離以后，不同數據的同權位組成了新的數據，通過(guò)控制存儲器的地址使一幀所有數據的同權位寫(xiě)在存儲器的同一段中，因此對寫(xiě)地址發(fā)生器要求比較高。該系統要求256級灰度，那么將存儲器分成8個(gè)段，每個(gè)段存儲代表同一個(gè)權值的位(場(chǎng))。其中，8個(gè)段用3(23)根地址線(xiàn)來(lái)代替，分辨率為800*256的大屏有256行，800列，那么行地址用8(28)根地址線(xiàn)表示，這8根地址線(xiàn)前5位為區地址(32區)，后3位為一個(gè)區的行地址 (1／8掃描)。列地址用7(27)根地址線(xiàn)來(lái)表示，因為存儲器為24位寬，一個(gè)存儲單元代表LED顯示屏8個(gè)RGB點(diǎn)的同權位，其優(yōu)先級從高到底的順序為：場(chǎng)地址>列地址>行地址。分別用計數器來(lái)實(shí)現，這三個(gè)計數器級聯(lián)就構成了存儲器的寫(xiě)地址，其連接方式為：場(chǎng)地址(A17～A15)，區地址(A14～A10)，區內行地址(A9～A7)，列地址(A6～A0)。由此可見(jiàn)，通過(guò)改變存儲器地址線(xiàn)的優(yōu)先級可實(shí)現分場(chǎng)(8場(chǎng))存儲。

數據分8場(chǎng)寫(xiě)入存儲器，讀出時(shí)要求分19場(chǎng)讀出，并且要控制每一場(chǎng)的顯示時(shí)間。所以在產(chǎn)生讀地址的場(chǎng)地址計數器的時(shí)候，先設計一個(gè)19進(jìn)制的計數器counter19(0～18)。表2為counter19和場(chǎng)地址計數器的關(guān)系：每一場(chǎng)的顯示時(shí)間是用比較器來(lái)實(shí)現的，可以通過(guò)改變比較器中的值靈活地校正灰度和亮度。

LED顯示屏要求32區同時(shí)點(diǎn)亮，采用數據的并行處理，降低硬件消耗和系統工作頻率。提高刷新頻率。由于存儲器每次只能讀出一個(gè)數據，所以必須采用分區鎖存，然后把32區數據并行輸出。

行地址和列地址同寫(xiě)地址發(fā)生器原理相同，這里主要介紹一下它們的優(yōu)先級。數據已經(jīng)是位面分離的，所以要想實(shí)現32區數據同時(shí)顯示，那么區地址的優(yōu)先級應為最高，其次是列地址，然后是行地址，最后是場(chǎng)地址。與存儲器連接方式同寫(xiě)地址一樣。