基于FPGA的LED顯示屏控制方案

LED（Light Emitting Diode）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)界和廣告界的極大重視，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。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，全彩LED顯示屏（RGB三基色）逐漸得到普及應用。

　　本方案采用Actel的FPGA實(shí)現對彩色LED屏的控制，對于系統的可靠性大大增強，而且低成本的單芯片大大減輕了系統的成本。

　　1.概述

　?。?）功能概述

　　選擇FPGA實(shí)現LED全彩屏的控制，主要考慮系統的性能需求，系統的升級需要以及系統的設計成本等因素?，F代社會(huì )對信息顯示效果的高要求，以及視頻數據量的加大，對顯示控制器提出了挑戰，如圖 1所示。本文實(shí)現的LED全彩屏主要實(shí)現了以下功能：

　　● 保證全彩LED顯示屏顯示顏色不失真；

　　● 能夠實(shí)現256級灰度；

　　● 能正確顯示文字、圖片、動(dòng)畫(huà)等信息；

　　● 可以接收PC機輸出的DVI數據流實(shí)時(shí)顯示。

圖1 LED顯示屏應用示例

　?。?）系統框圖

　　控制器主要完成對LED掃描板的控制和顯示，其中包括色度控制、灰度控制、數據重構以及存儲形式、掃描方式的選擇等方面?？刂破鞯墓δ芸驁D如圖 2所示。

圖2 LED顯示屏控制器功能框圖

　　2.各功能模塊介紹

　　控制器實(shí)現的主要難點(diǎn)在于其灰度的控制。利用人眼的視覺(jué)效應，我們知道，只要刷新頻率足夠高不產(chǎn)生LED器件閃爍的現象時(shí)，LED器件點(diǎn)亮的時(shí)間越長(cháng)，顯示的亮度就越強。為此我們將使用LED器件亮滅時(shí)間的占空比波形來(lái)控制灰度級別。下面我們分別介紹在8場(chǎng)掃描和19場(chǎng)掃描方式下的灰度控制。

　?。?）8場(chǎng)掃描模塊

　　8場(chǎng)掃描方式是針對串行驅動(dòng)LED顯示屏而提出的。以最常見(jiàn)的8bit位寬的顯示數據來(lái)說(shuō)，我們分8次顯示，第一次將8位數據的第0位顯示在LED屏上，第2次將8位數據的第1位顯示在LED顯示屏上，這樣重復操作，直至將8位數據全部顯示在LED顯示屏上。只要掃描的頻率足夠高，那么將8次顯示的效果疊加，就可以得到一個(gè)完整數據的數據顯示效果。我們把一個(gè)LED點(diǎn)陣屏所有的像素點(diǎn)對應的同一數據位點(diǎn)亮一遍稱(chēng)為一場(chǎng)，8位數據共需8場(chǎng)才能顯示完，把這種方式稱(chēng)為“8場(chǎng)掃描”。

　　“8場(chǎng)掃描”方式下，每一個(gè)數據位對應的點(diǎn)亮時(shí)間如所示。我們設掃描一行的時(shí)間為T(mén)。從表 1可以看出，這種方式的點(diǎn)亮的效率是比較低的。

表1 數據對應點(diǎn)亮時(shí)間

　　基于上述的8場(chǎng)掃描方式，如圖3所示，我們將8場(chǎng)掃描每一場(chǎng)分別對應一個(gè)固定的占空比信號，用于控制LED器件的亮滅。從分析可知，8位數據的每一位權值：1，2，4，8，16，32，64，128，就是每一場(chǎng)對應的占空比因子，每一場(chǎng)占空比分別為：1/256，2/256，4/256，8/256，16/256，32/256，64/256，128/256。一個(gè)像素點(diǎn)的完整占空比值等于每一位0/1數據和對應的權值乘積之和，計算可知這個(gè)比值剛好是從00到FF，這就構成了256種灰度級別。

圖3 數據位灰度權值

　?。?）19場(chǎng)掃描模塊

　　基于上一小節中介紹的“8場(chǎng)掃描”，我們知道8場(chǎng)掃描的嚴重缺點(diǎn)是點(diǎn)亮的效率比較低。所以，作為控制器的一個(gè)功能提升，我們設計了“19場(chǎng)掃描”的方式，這種方式延續了串行驅動(dòng)的思想，只是在數據位讀取方面做了一些改動(dòng)。

　　如圖 4所示，可以看出19場(chǎng)設計的原理是將數據的高位連續多顯示幾次，以提高數據的顯示亮度。19場(chǎng)掃描數據低5位時(shí)和8場(chǎng)掃描是一樣的，但第5位連續讀2次，第6位連續讀4次，第7位連續讀8次。

圖4 8場(chǎng)掃描和19場(chǎng)掃描的位地址

　　同時(shí)需要注意的一點(diǎn)是：在改變數據位顯示次數的時(shí)候，應遵循不改變其顏色的占空比值為前提。通過(guò)計算證明19場(chǎng)掃描方式的每一個(gè)數據位讀取次數是比較合理的。19場(chǎng)掃描灰度控制和8場(chǎng)的灰度控制是一樣的原理，19場(chǎng)掃描方式下，雖然對一個(gè)8bit數據總共顯示了19次，但數據位依然是從第0位掃描到第7位，所以只要給固定的數據位加載其對應的占空比信號來(lái)控制其灰度顯示就能符合要求。

　?。?）控制器時(shí)鐘樹(shù)設計

　　本文中控制器因為綜合了兩種掃描方式，每一種掃描方式的工作頻率又不一樣，所以整個(gè)控制器涉及了較多的工作頻率，也即跨時(shí)鐘域工作的現象很多，如圖 5所示，這里就充分利用了FPGA的時(shí)序邏輯資源。Actel FPGA的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )相當豐富，除了全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )以外，內部還具有分段式的布線(xiàn)結構，可以使得FPGA內部具有可以高達252個(gè)時(shí)鐘。

圖5 系統時(shí)鐘域分布圖

　　此外，由于控制器需要處理的數據比較龐大，根據FPGA的設計思想，采用乒乓操作實(shí)現對數據的存儲，以提高數據的處理速度。在數據來(lái)源方面，控制器可以顯示內部存儲的靜態(tài)圖像，也可以顯示外部輸入的數據。在處理前級系統傳輸來(lái)的數據的時(shí)候，就涉及到數據的接口問(wèn)題。根據FPGA的接口處理設計思想，采用FIFO作為數據的接口，以實(shí)現數據的同步。

　　3.市場(chǎng)應用

　　LED顯示屏在信息發(fā)布場(chǎng)合已經(jīng)是很常見(jiàn)了，常被廣泛應用于工業(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，如圖 6所示。隨著(zhù)對生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，LED顯示屏也可用于室內裝飾、展廳顯示等，在未來(lái)LED顯示屏的應用將會(huì )越來(lái)越廣泛，應用Actel的FPGA可以為L(cháng)ED控制器提供最佳的方案。

圖6 LED顯示屏應用實(shí)例