基于FPGA控制的動(dòng)態(tài)背光源設計方案

引言

當代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線(xiàn)熒光燈（CCFL）背光或LED 靜態(tài)背光，由于CCFL 亮度不易控制并且響應速度慢，造成能源浪費和動(dòng)態(tài)模糊。LED 靜態(tài)背光效果雖好，但是其耗能也較為嚴重，另外恒定亮度的背光使得圖像的對比度下降，顯示效果不理想。對圖像RGB 像素進(jìn)行分析，在某些區域適當地采用低一級亮度的LED 背光，不僅可以節能，而且會(huì )擴大圖像顯示的對比度，消除動(dòng)態(tài)模糊現象。

　　1 設計方案及其原理

動(dòng)態(tài)背光源表面上是個(gè)整體，其實(shí)內部在制作原理圖時(shí)已經(jīng)將之分成多個(gè)區域，分別控制其各自的亮度?？芍彻鉄舻拿芗仍礁?，劃分的區域越多、面積越小，顯示出來(lái)的整體效果會(huì )越好。但是從成本、經(jīng)濟價(jià)值、制作工藝、節能等方面綜合考慮，可知燈的數目不可能無(wú)限多，劃分的區域也不會(huì )無(wú)限密集，但是總可以找到一個(gè)最合適的設計規格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標準，通過(guò)RGB 模型為圖像中每一個(gè)像素的RGB 分量分配一個(gè)0～255 范圍內的強度值。RGB 圖像只使用三種顏色，按照不同的比例混合， 理論上在屏幕上呈現16,777,216 種顏色。在本系統只有RGB 各個(gè)分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數Ki，需要經(jīng)過(guò)FPGA運算得到圖像各個(gè)像素的灰度值，然后再計算。

對圖像進(jìn)行灰度計算的基本思想是將每個(gè)像素的RGB 三種顏色成份的值取平均，然而由于人眼的敏感性，這種做法效果并不好，應該是每個(gè)分量需有一定的權重，計算公式如下所示。

（1）為灰度計算公式，可直接由RGB 各個(gè)分量計算得到像素的灰度值，當然可以整體的放大或縮小，即乘以一個(gè)共同的系數。

（2）為由像素灰度求亮度公式，其中Tmax 為最大透過(guò)率，在同一個(gè)系統中為一固定值，可不予關(guān)注，γ 為RGB 像素矯正因子，B 為背光源亮度值。

　　當背光源的亮度變?yōu)樵瓉?lái)的1/λ即B' 時(shí)，為了使人眼觀(guān)察灰度C' 像素的亮度不發(fā)生大的變化，應使兩次得到的值一致，即：

令：

解方程可以求得：

一般情況下，灰度的調節由8bit 數據控制，即可以將灰度值由0～255，分成256 份，其中每一份代表一個(gè)灰度級別（本實(shí)驗中所使用驅動(dòng)芯片的灰度級別為4,096）。所以可以令控光參數Ki：

其中Cmax 為各個(gè)分割區域中的最大灰度值，Ci為各個(gè)相應區域的最大灰度值，計算得到的區域控光參數Ki 來(lái)調節FPGA 的輸出，來(lái)調節背光板亮度，從而可以得到校正后各個(gè)像素的RGB 值分別為：

如方案圖所示，最后將由控制器輸出的行、場(chǎng)同步信號和校正后的RGB 信號等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個(gè)：一是在FPGA 處理不及時(shí)的情況下，用來(lái)存儲從圖形控制器傳過(guò)來(lái)的行、場(chǎng)同步信息和RGB 數據信息等；二是存儲FPGA 處理過(guò)的數據，單LCD 板未來(lái)得及處理的信息。這樣設計的目的在于達到數據不丟失，信息傳輸更及時(shí)的效果。

2 驅動(dòng)電路設計

在驅動(dòng)芯片的選擇上， 我們用TI 公司的TLC5947，每個(gè)通道由12bits PWM 脈寬調制，具有24 路輸出通道，所以一個(gè)數據傳遞周期將會(huì )接收288bits 數據。芯片所需電壓為3.0～5.5V，有溫控系統，當芯片的溫度過(guò)高時(shí)會(huì )自動(dòng)斷開(kāi)，以保護芯片。

從芯片的引腳25 可以看出，此款芯片支持級聯(lián)，可以多個(gè)芯片共同工作以驅動(dòng)更大規模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24，每個(gè)輸出通道由12bit輸入數據來(lái)控制，其內部含有4MHz 的晶振，輸入數據與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比，從而實(shí)現對背光源相應區域的PWM 調制。從中可知，TLC5947 將灰度分為4,096 級，我們可以大尺度、精密地細分背光源的亮度，以達到更好動(dòng)態(tài)背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅動(dòng)電路中的電阻由所驅動(dòng)LED 燈的電流決定，具體詳情可以參考TLC5947 配置表格（如表1所示）。芯片對輸入的SCLK、XLAT、BLANK 等信號有嚴格的時(shí)序要求，電源與地之間的電容主要起到一個(gè)濾波作用，盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅動(dòng)電流的關(guān)系

圖3 背光源驅動(dòng)電路

3 軟件設計

本款芯片的控制信號由Altera 公司的型號為EP1C3T144C8 的開(kāi)發(fā)板供給，晶振為50MHz。

從實(shí)驗得到的效果來(lái)看，該款芯片的數據傳輸機理為：每個(gè)傳輸周期，每遇SCLK 上升沿將會(huì )從SIN 口讀入1bit 數據存入寄存器，在SCLK 下降沿時(shí)，將讀入的數據從SOUT 傳出（內部對數據仍有保留） 輸給下一級，直至讀入288bits 數據。每12bits 為一組，分別送到各自的通道，并且每組數據先讀入的居于較高位，然后依次排列。例如，讀取的數據按時(shí)間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0，則相應的控制信號為100000000000，那么控制通道的占空比即為：

根據PWM 調制面積相等的原則，有效電壓約為提供電壓的一半。

按照仿真條件的要求，SCLK 時(shí)鐘信號需要在每接收完288bits 時(shí)有段時(shí)間的低電平，盡量滿(mǎn)足芯片的時(shí)序要求。另外，控制信號BLANK 在每個(gè)周期空閑時(shí)（不傳輸數據時(shí)），需要有個(gè)高電平變換，這樣可以將鎖存器里面的數據清零，以便接受新一輪的控制數據，否則，燈的亮度明顯會(huì )偏暗。

RGB 數據經(jīng)過(guò)FPGA 的處理，轉換為相應的灰度值，然后再計算出相應的控光參數Ki （我們可以分的灰度級別不超過(guò)4,096），傳輸給TLC5947的SIN，即可以實(shí)現動(dòng)態(tài)背光調節。

圖4 輸入輸出信號設置

圖5 信號仿真圖

圖6 PWM 調制輸出波形

　　4 結論

通過(guò)理論分析和實(shí)驗測試，動(dòng)態(tài)背光調節控制系統在節能和提高圖像顯示對比度等方面做得都較好，這在重視節能減排、建設和諧社會(huì )的今天以及對LCD 顯示器的未來(lái)發(fā)展都具有很好的應用前景。

圖7 即通過(guò)FPGA 控制以及基于圖像像素控制得到的動(dòng)態(tài)背光調節效果圖，從中可以看到，如果在以前LCD 靜態(tài)背光的條件下，則所有背光LED 燈的亮度將會(huì )和最亮的（右下角）一致，而現在我們將之分割為各個(gè)不同區域，使得每個(gè)區域均有自己的最佳亮度，而不必以整個(gè)圖像最亮一點(diǎn)為標準，并且不影響顯示效果。這樣，也就實(shí)現了我們預期的動(dòng)態(tài)調節的目的。

圖7 背光源效果圖