基于FPGA的大屏幕全彩LED掃描控制器設計

　　1 引言

　　作為大型平板顯示設備的一種,LED 顯示屏以其使用壽命長(cháng)、維護費用低、功耗低等特點(diǎn)在顯示領(lǐng)域占有重要的位置。特別在近年,帶有紅、綠、藍三基色以及灰度顯示效果的全彩LED 顯示屏,以其豐富多彩的顯示效果而倍受業(yè)界關(guān)注,成為LED 顯示屏市場(chǎng)近年增長(cháng)幅度比較大的產(chǎn)品。壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點(diǎn)距、對比度、灰度等級(包括灰度級數和線(xiàn)性度) 、掃描頻率等指標性能是衡量或橫向比較大型顯示設備好壞的標準。而這些指標性能的優(yōu)劣,很大程度上決定于掃描控制器的性能。因此對大屏幕全彩L ED 顯示掃描控制方法的研究有著(zhù)重要的意義。

　　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,即采用調節占空比來(lái)實(shí)現的。全彩LED 顯示屏一般采用逐位點(diǎn)亮的掃描方式實(shí)現灰度圖像顯示。對于顯示灰度級數為8 位的LED 顯示屏,一般采用“19場(chǎng)掃描”原理來(lái)實(shí)現256 級灰度顯示。L ED顯示屏的顯示數據更新一般采用串行輸出方式,如采用595 進(jìn)行設計的靜態(tài)LED 全彩顯示屏,根據“19 場(chǎng)掃描”原理,對于分辨率等規格確定的屏體,當串行移位時(shí)鐘確定時(shí),顯示屏的刷新頻率和LED 的發(fā)光效率(一個(gè)掃描周期內,LED的最長(cháng)點(diǎn)亮時(shí)間所占的比例) 也就被確定。本文提出了一種新的逐位點(diǎn)亮掃描方式,該方式對典型的“19場(chǎng)掃描”方式進(jìn)行了改進(jìn),可以在串行移位時(shí)鐘確定的條件下,在一定范圍內對刷新率和發(fā)光效率進(jìn)行調節,從而提高了產(chǎn)品根據實(shí)際的應用環(huán)境和客戶(hù)要求進(jìn)行設計的靈活性。

　　2 逐位點(diǎn)亮的灰度實(shí)現算法設計

　　以8 位“19場(chǎng)掃描”理論為例,所謂逐位點(diǎn)亮,即從一個(gè)字節數據中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數據,分8 次點(diǎn)亮對應的像素,每一位對應的點(diǎn)亮時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間的占空比不同。如果點(diǎn)亮時(shí)間從低位到高位依次倍增,則合成的點(diǎn)亮時(shí)間將會(huì )有256 種組合。定義D0 位對應的點(diǎn)亮時(shí)間加上關(guān)斷時(shí)間為一個(gè)時(shí)間單位,設為T(mén) ,可得表1 所示各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間。

　　表1 “19場(chǎng)掃描”顯示時(shí)各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間

在實(shí)際設計中, T也是對LED 顯示屏進(jìn)行一次串行數據更新所需要的時(shí)間。表1 所示的總時(shí)間是T 的整數倍,所以每個(gè)數據位所占用的總時(shí)間可以通過(guò)刷新一次屏幕數據來(lái)進(jìn)行定時(shí)。在進(jìn)行LED顯示屏設計時(shí),整個(gè)顯示屏中LED 的亮與滅可以通過(guò)總控線(xiàn)EN 控制,當點(diǎn)亮時(shí)間≥1 T時(shí),EN 控制顯示屏處于常亮狀態(tài),而當點(diǎn)亮時(shí)間 1 T 時(shí),可以通過(guò)控制EN 產(chǎn)生相應占空比的控制波形來(lái)實(shí)現相應位的亮度控制?？梢?jiàn),利用“19場(chǎng)掃描”原理,在串行移位時(shí)鐘和屏體具體規格確定的情況下,其刷新率也就被確定了,并且具有固定的發(fā)光效率η。

　　η =6 點(diǎn)亮時(shí)間6 總時(shí)間≈ 16 T19 T≈ 84 % (1)由灰度顯示的原理可以知道,能否實(shí)現灰度顯示,決定于各個(gè)數據位的點(diǎn)亮時(shí)間從低位到高位是否以2 的倍數遞增,而關(guān)斷時(shí)間的長(cháng)短只會(huì )影響發(fā)光效率的大小。在進(jìn)行系統設計時(shí),使用了8～10 位的非線(xiàn)性灰度校正,因此需要實(shí)現10位灰度掃描控制。定義“t”為點(diǎn)亮時(shí)間的一個(gè)時(shí)間單位,則可得表2 所示的時(shí)間分配。如果定義數據為“1”有效(點(diǎn)亮) “, 0”無(wú)效(熄滅) ,當輸入數據從000H 到3FFH 變化時(shí),點(diǎn)亮時(shí)間在0t～1 023t 變化,而亮度控制總時(shí)間則保持不變,從而實(shí)現了10 位占空比控制,采用這種灰度控制方法可以實(shí)現1 024 級的灰度顯示。與“19 場(chǎng)掃描”原理不同,本文控制點(diǎn)亮的時(shí)間不是通過(guò)屏幕刷新來(lái)實(shí)現,而是采用單獨的計數器來(lái)進(jìn)行計時(shí)控制的。

　　表2 　逐位點(diǎn)亮控制中各位數據點(diǎn)亮時(shí)間分配表

設使用串行方式更新整場(chǎng)視頻圖像一位數據所需要的時(shí)間為T(mén)s ,如果Ts 滿(mǎn)足:

　　則完成一次串行數據更新所需要的時(shí)間在Dn - 1位所需要的點(diǎn)亮時(shí)間和Dn 位的點(diǎn)亮時(shí)間之間,這個(gè)時(shí)間也許小于一個(gè)時(shí)間t。由于串行數據更新時(shí)間和點(diǎn)亮時(shí)間可以部分重疊,設屏幕的刷新率(即顯示數據幀從顯示緩存讀出進(jìn)行屏幕顯示更新的頻率) 為f r ,可以得到式(3) 。

　　當串行時(shí)鐘頻率和屏體參數確定, Ts 便可計算出來(lái)。此時(shí),如果設定了屏幕的刷新率,結合式(2) 和式(3) ,對n 從0～9 進(jìn)行窮舉計算,可以得到同時(shí)滿(mǎn)足兩式條件的n 值,同時(shí)可以確定單位時(shí)間t 的值。由此得到的t 值,通過(guò)FPGA 進(jìn)行定時(shí)控制,便可實(shí)現一定刷新率的全彩灰度控制。

　　這里L(fēng)ED 的發(fā)光效率可以用式(4) 表示。

　　從式(3) 可知,當串行移位時(shí)鐘頻率一定,即Ts 確定的情況下,刷新率f r 與單位時(shí)間t 成反比。而式(4) 表明,發(fā)光效率η和單位時(shí)間t 成正比?？梢?jiàn),刷新率和發(fā)光效率成反比關(guān)系,提高刷新率的同時(shí)必然要犧牲發(fā)光效率。因此,采用上述掃描方式,設計者可以根據實(shí)際應用環(huán)境和客戶(hù)的要求在刷新率和發(fā)光效率兩者之間進(jìn)行適當的調整。

　　如果要求系統的全彩灰度控制符合“19 場(chǎng)原理”的顯示效果,則由表2 可得表3 所示的關(guān)斷時(shí)間t0 ～t9 的值。結合表3 中t0 ～ t9 的值,對表2中總時(shí)間各項進(jìn)行求和,便可得總時(shí)間為T(mén)a =1 152t ,根據1 152t = 1/ f r 可得到t 值。

　　表3 逐位點(diǎn)亮控制中符合“19 場(chǎng)掃描”時(shí)各位數據關(guān)斷時(shí)間分配表在系統設計中,掃描板每個(gè)輸出端口分別控制16 ×48 分辨率的靜態(tài)顯示屏模塊,紅、綠、藍三色顯示數據采用3 根數據線(xiàn)分別輸出,串行移位時(shí)鐘頻率為6. 25 MHz ,顯示屏刷新頻率設計要求為120 Hz ,利用以上的結論可得:

　　Ts = 16×48×16125×106 s = 122188μs然后進(jìn)行窮舉計算,如表4 所示,可以得到單位時(shí)間t 的值為7. 780μs。

　　表4 對n 進(jìn)行窮舉計算得到單位時(shí)間t 的值根據式(4) ,可計算得到發(fā)光效率η = 1023tf r = 1023 ×71780 ×10- 6 s ×120Hz = 9515 %

　　3 FPGA 電路設計

　　視頻圖像信號頻率高、數據量大,要求實(shí)時(shí)處理,加之全彩大屏幕LED 控制器實(shí)現的數字邏輯相當復雜,采用CPLD/ FPGA 設計控制電路,可以簡(jiǎn)化系統結構,便于調試。本文設計的掃描控制器應用于大屏幕全彩LED 脫機視頻播放系統中。其中涉及到視頻信號的存儲和讀取、視頻數據的傳輸和接收、灰度顯示控制電路、LED 點(diǎn)陣顯示驅動(dòng)電路等。本文主要對灰度顯示控制電路進(jìn)行討論,控制對象為以紅、綠、藍三色LED 組成的全彩靜態(tài)顯示屏。實(shí)現灰度顯示控制器的FPGA 內部電路結構如圖1 所示。

　　在LED 顯示屏掃描控制電路中,FPGA 是其中最主要的邏輯控制器件,主要實(shí)現視頻數據接收、非線(xiàn)性灰度校正和掃描信號產(chǎn)生功能。FP2GA 內部各個(gè)電路模塊相互協(xié)調運作,將數據輸入和顯示輸出連接起來(lái),實(shí)現L ED 顯示屏的全彩視頻播放。

　　作為一個(gè)獨立的顯示系統,普通的RS232 、RS485 總線(xiàn)方式已不能滿(mǎn)足L ED 顯示屏進(jìn)行多媒體視頻播放所要達到的高數據速率傳輸要求。以512 ×256 的全彩顯示屏為例,當要求系統換幀頻率達到30 Hz 時(shí),需要的數據傳輸速率高達94. 4 Mbp s。因此,在系統設計中,視頻數據的傳輸和接收采用RTL8201 設計的100 M 以太網(wǎng)控制器來(lái)完成。

　　為了使視頻播放連續平滑,在數據接收過(guò)程中不能打斷顯示