基于CPLD的LED大屏幕視頻控制系統

1 復雜可編程邏輯器件概述

復雜可編程邏輯器件(CPLD)最早出現于80年代后期,由于其高速、設計靈活、成本低、延時(shí)可預測等特點(diǎn),一經(jīng)面世便得到廣泛的應用。世界各主要PLD廠(chǎng)商都紛紛推出了自己的 CPLD產(chǎn)品,如 Altera公司的 MAX系列,Xilinx的XC9500和Spartan系列,Lattice公司的ispLSI系列等。

1.l 復雜可編程邏輯器件的特點(diǎn)

與傳統的FPGA相比,CPLD最大的特點(diǎn)在于其延時(shí)可預測性。在互連特性上,CPLD采用連續互連方式,即用固定長(cháng)度的金屬線(xiàn)實(shí)現邏輯單元之間的互連,避免了分段式互連結構中的復雜的布局布線(xiàn)和多級實(shí)現問(wèn)題,能夠方便地預測設計時(shí)序,同時(shí)保證了CPLD的高速性能。用戶(hù)的仿真與實(shí)際系統集成后無(wú)太大的時(shí)間差異,不會(huì )給系統造成性能的波動(dòng),即系統具有穩定的可編程性,這使得軟件控制下硬件的改變不受器件的影響。

1.2 isp LSI簡(jiǎn)介

Lattice 公司研制的在系統可編程大規模集成電路(ispLSI)系列芯片具有高密度、高速度和在線(xiàn)可編程等特點(diǎn)[2],使設計變得容易,并且不需要更改線(xiàn)路板就可以立即更改設計,代表了大規?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展方向。ispLSI包括以下幾個(gè)主要部分:GLB(通用邏輯塊),GRP(集總布線(xiàn)區),ORP(輸出布線(xiàn)區),I/O單元和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )。

(1) GLBispLSI的基本單元是GLB。每個(gè)GLB有18個(gè)輸入,4個(gè)輸出,以及實(shí)現標準邏輯功能的必要邏輯。GLB的輸入來(lái)自GRP和專(zhuān)門(mén)輸入端,GLB的輸出反饋回GLB,以便它們能連接到任何別的GLB的輸入端。

(2) GRPispLSI芯片中部有一個(gè)集總布線(xiàn)區,該布線(xiàn)區在連線(xiàn)延時(shí)恒定且可預知的前提下,提供了完善的片內邏輯互連性能。

(3) ORPORP提供了GLB輸出與芯片輸出引腳之間靈活的連接途徑。

(4) I/O單元每一個(gè)I/O單元直接連接到一個(gè)I/O引腳。每個(gè)I/O都可編程為輸入、輸出和雙向單元,并可根據所需要編程為鎖存或寄存功能。每16個(gè)I/O Cell分為一組。8個(gè)GLB,16個(gè)I/O Cell,一個(gè)ORP和2個(gè)專(zhuān)用輸入連在一起,組成一個(gè) Megablock(組合模塊)。8個(gè)GLB的輸出通過(guò)ORP連到16個(gè)I/O Cell。每個(gè)Megablock共享一個(gè)OE信號。

(5) 時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )以1032 為例,時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )有4個(gè)專(zhuān)用的時(shí)鐘輸入端:Y0,Y1,Y2和Y3;另外的一個(gè)專(zhuān)用時(shí)鐘輸入來(lái)自GLB的輸出。5個(gè)時(shí)鐘輸出:CLK0,CLK1, CLK2,I/O CLK0和I/O CLK1,用來(lái)提供到GLB和I/O單元的時(shí)鐘線(xiàn)路。CLK0,CLK1和CLK2用作GLB的時(shí)鐘信號;I/O CLK0和I/O CLK1則用作I/O Cell的時(shí)鐘信號。

2 LED大屏幕視頻顯示系統原理

LED大屏幕視頻顯示系統由于具有亮度高、視角廣、壽命長(cháng)、性?xún)r(jià)比高,因此在銀行、交通、廣場(chǎng)、體育場(chǎng)館等公共場(chǎng)合得到了廣泛的應用。筆者用按位分時(shí)顯示的方法研制了256×256灰度級的LED大屏幕視頻顯示系統,畫(huà)面清晰穩定,顏色豐富,取得了良好的視覺(jué)效果。

視頻控制系統是LED大屏幕視頻顯示系統的核心,它負責產(chǎn)生各種顯示控制信號,對視頻數據進(jìn)行分割、存儲、灰度掃描并按特定的方式輸出數據到顯示屏體供驅動(dòng)顯示。從電路組成看,視頻控制系統包括計算機箱體內的預處理卡及顯示屏體內的可級聯(lián)的視頻控制器單元;視頻控制器單元(或預處理卡)由控制單元 (CPLD)和存儲器單元(SRAM組)以及I/O接口單元等部分組成。計算機屏幕上每8×16行單色數據對應兩片SRAM存儲器(1024列×8×16 行為1個(gè)存儲器單元)8×1位數據口,所有存儲器的地址和控制信號由一片控制芯片(ispLSI1032E)產(chǎn)生。它們在顯示系統中的關(guān)系如圖1所示。

大屏幕顯示范圍為1024列×768行,時(shí)鐘頻率65MHz,整個(gè)顯示區域分為6個(gè)存儲器單元,每個(gè)存儲器單元對應1024列×128行數據,2個(gè)存儲器單元及1片控制芯片共同組成一個(gè)視頻控制器單元(3個(gè)視頻控制器單元可以級聯(lián)控制1024列×768行)。計算機視頻數據經(jīng)過(guò)預處理卡(如γ反校正)后輸出到視頻控制器單元,視頻控制器單元根據時(shí)鐘和行、場(chǎng)同步信號對數據進(jìn)行分割并分時(shí)寫(xiě)入到2個(gè)存儲器單元內,視頻控制器的存儲器單元同時(shí)讀出的數據經(jīng)灰度調制后變成串行數據流,并行輸出到顯示屏體驅動(dòng)電路經(jīng)移位后以1行為周期打入到屏體顯示,同時(shí)行掃描信號以19行數據刷新時(shí)間為周期進(jìn)行垂直掃描。