基于FPGA的全彩色高清大屏LED掃描控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

基于FPGA的全彩色高清大屏LED掃描控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)朱瑋鵬，王玲（湖南大學(xué) 電器與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410000，E-mail:）摘 要：介紹了一種具有高清顯示能力的LED大屏幕全彩顯示屏的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各控制模塊，對(duì)其反校正模塊和灰度掃描模塊的原理和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了著重介紹。主控制芯片采用了Altera公司的低端芯片系列Cyclone的EP2C8Q208，很好的控制了成本。列驅(qū)動(dòng)芯片采用聚積科技的MBI5026，最高移位頻率可達(dá)25MHz，使整個(gè)系統(tǒng)有很大的擴(kuò)展性。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，給出了反校正和灰度掃描的仿真波形。關(guān) 鍵 詞：LED顯示屏；掃描驅(qū)動(dòng)；FPGA；反校正；灰度中圖分類(lèi)號(hào)：TN27;TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A作者簡(jiǎn)介：朱瑋鵬（1986），男，碩士研究生，研究方向?yàn)長(zhǎng)ED顯示器的驅(qū)動(dòng)電路與器件0 引 言LED 顯示屏作為一種大型顯示設(shè)備，具有亮度高、價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。紅，綠，藍(lán)三基色組成的全彩色LED顯示屏，以畫(huà)面清晰艷麗，對(duì)比度高，色彩效果豐富而備受關(guān)注。業(yè)界一般從壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點(diǎn)距、對(duì)比度、灰度等級(jí)(包括灰度級(jí)數(shù)和線性度)、掃描頻率等指標(biāo)來(lái)衡量或橫向比較大型顯示設(shè)備的好壞1。LED顯示屏能不能獲得優(yōu)異的上述指標(biāo)性能，與其掃描控制器的設(shè)計(jì)是否合理息息相關(guān)，其中反校正模塊和灰度掃描模塊的設(shè)計(jì)更是尤為關(guān)鍵。1 反校正的研究由于以前使用最廣泛的CRT顯示器的顯像管的電光轉(zhuǎn)換是非線性的，而攝影機(jī)記錄的數(shù)據(jù)是線性的，如果不加處理的把攝影機(jī)的原始數(shù)據(jù)輸入顯示器顯示，就會(huì)有色彩還原不真實(shí)的情況發(fā)生。為了克服這一現(xiàn)象，一般會(huì)在傳輸之前對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)校正，來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)數(shù)據(jù)（亮度）到CRT顯示器數(shù)據(jù)（亮度）的線性變換，從而得到原始圖像的逼真還原，這個(gè)預(yù)校正過(guò)程一般稱為校正。LED卻不同，它的電光轉(zhuǎn)換是線性的，如果把經(jīng)過(guò)了校正的數(shù)據(jù)直接輸入LED顯示屏進(jìn)行輸出，反而會(huì)使顯示畫(huà)面的低灰度級(jí)跳變過(guò)快，高灰度級(jí)層次不清。因此，LED顯示屏在接受適用于CRT屏的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，必須要進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕叶刃Ｕ?，稱之為反校正。對(duì)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行反校正的方法有很多，如插值法，多項(xiàng)式回歸法，查找表法等。插值法誤差較大，多項(xiàng)式回歸法速度較慢，這里重點(diǎn)介紹一下兼顧誤差和速度的查找表法。查找表法一般是通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部的存儲(chǔ)器可配制出內(nèi)置查找表的ROM，輸出延遲最小可達(dá)納秒級(jí)，可以完全滿足對(duì)實(shí)時(shí)性要求苛刻的視頻數(shù)據(jù)的處理2。查找表法是用一個(gè)查找表來(lái)代替繁瑣復(fù)雜的非線性運(yùn)算，即根據(jù)已知的反公式，事先將所有輸入灰度值對(duì)應(yīng)的校正之后的輸出灰度值算好，配置到ROM中形成表格，在使用時(shí)只需根據(jù)輸入信號(hào)的值取查詢這個(gè)表就能得到反運(yùn)算的結(jié)果值。（1）式（1）中是輸入灰度級(jí)，為對(duì)應(yīng)的輸出灰度級(jí)，在確定的值之后，可以很方便的計(jì)算出與輸入對(duì)應(yīng)的輸出。我們已經(jīng)知道LED顯示屏接收到的色彩信號(hào)是經(jīng)過(guò)校正的R,G,B各8位的24位并行數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)256級(jí)灰度顯示。通過(guò)反校正，轉(zhuǎn)換成R,G,B各12位的4096級(jí)灰度顯示。取值越大，圖像暗部的灰度等級(jí)越細(xì)膩，黑色和白色的反差也變大，但圖像的整體顯示質(zhì)量也將下降，所以在實(shí)踐中，的取值一般為1.6到2.8之間。2 灰度掃描的研究灰度是指畫(huà)面上亮度的等級(jí)差別。灰度掃描控制，也就是對(duì)發(fā)光單元的亮度的控制。人眼對(duì)快速的亮暗閃爍并不敏感，通過(guò)變換發(fā)光體的點(diǎn)亮?xí)r間和點(diǎn)亮面積來(lái)區(qū)分亮度，就能形成一種不同灰度畫(huà)面的錯(cuò)覺(jué)，實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)。一般灰度級(jí)越高，所顯示圖像的層次越分明，圖像越細(xì)膩。2.1 灰度實(shí)現(xiàn)方案LED顯示屏的灰度實(shí)現(xiàn)方案有很多種，如幅值法，電壓組合法，空間法，時(shí)分法，幀灰度法，脈寬調(diào)制法和子場(chǎng)法3。表1 常用灰度控制方案灰度實(shí)現(xiàn)方法灰度實(shí)現(xiàn)原理該方法特點(diǎn)幅值法器件發(fā)光強(qiáng)度與驅(qū)動(dòng)電流或電壓呈線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)容易，但精度低電壓組合法驅(qū)動(dòng)電壓幅值按一定步長(zhǎng)劃分為多個(gè)子電壓來(lái)組合灰度精度低空間法每一定數(shù)目的點(diǎn)作為一個(gè)單元，控制各單元處于點(diǎn)亮狀態(tài)的點(diǎn)的個(gè)數(shù)電路簡(jiǎn)單，控制和驅(qū)動(dòng)電路增加，分辨率低時(shí)分法在每個(gè)顯示周期內(nèi)按照灰度級(jí)平均等分出小的時(shí)間間隔脈沖難以實(shí)現(xiàn)高灰度級(jí)幀灰度法一定數(shù)量的幀作為一個(gè)時(shí)間單元，控制該單元內(nèi)處于點(diǎn)亮狀態(tài)的幀數(shù)掃描的頻率不能過(guò)高，難以實(shí)現(xiàn)高灰度級(jí)脈寬調(diào)制法輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比比數(shù)據(jù)大小成正比時(shí)序復(fù)雜，要求顯示屏有較快的響應(yīng)速度子場(chǎng)法一場(chǎng)數(shù)據(jù)分為幾個(gè)部分（子場(chǎng)），每個(gè)部分的點(diǎn)亮?xí)r間對(duì)應(yīng)不同的權(quán)值要求高頻率的驅(qū)動(dòng)控制電路，實(shí)現(xiàn)難度大2.2 線性權(quán)值子場(chǎng)法子場(chǎng)法是目前LED顯示屏灰度控制中最常用的一種方案，現(xiàn)在以一個(gè)像素點(diǎn)的灰度實(shí)現(xiàn)來(lái)介紹這種方案。用一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)D=d0,d1,.,dn-1表示顯示的灰度，那么對(duì)同一個(gè)像素點(diǎn)可以通過(guò)n場(chǎng)分別以d0,d1,.,dn-1對(duì)應(yīng)的占空比d0/20,d1/21,d2/22.,dn-1/2n-1循環(huán)顯示，當(dāng)n場(chǎng)循環(huán)足夠快時(shí)，人們會(huì)因?yàn)橐曈X(jué)惰性而只能看到n場(chǎng)顯示的平均效果，這樣就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)像素點(diǎn)的2n級(jí)灰度顯示4。定義每場(chǎng)時(shí)間為T(mén)，T由LED的導(dǎo)通時(shí)間和非導(dǎo)通時(shí)間兩部分組成。由于采用了線性權(quán)值法，前一場(chǎng)導(dǎo)通的時(shí)間是后一場(chǎng)的兩倍。（2） （3）其中d0,d1,.,dn-1等于0或1。發(fā)光效率=導(dǎo)通時(shí)間/總時(shí)間100%，發(fā)光效率決定了發(fā)光亮度。當(dāng)d0,d1,.,dn-1全為1時(shí)，根據(jù)式(2)式(3)可知導(dǎo)通時(shí)間為2T，發(fā)光效率=2T/nT100%.一般的，經(jīng)過(guò)反校正后的灰度數(shù)據(jù)D將達(dá)到12位，這時(shí)采用這種方法的發(fā)光效率=2T/12T16.67%，亮度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。要提高亮度，只有增加一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間?，F(xiàn)在把每場(chǎng)的導(dǎo)通時(shí)間相應(yīng)的擴(kuò)大N倍（N是2的倍數(shù)），則導(dǎo)通時(shí)間和總時(shí)間的關(guān)系如表2，表2 每場(chǎng)導(dǎo)通時(shí)間和總時(shí)間的關(guān)系方案每場(chǎng)導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通總發(fā)光效率第0場(chǎng)第1場(chǎng)第2場(chǎng)第3場(chǎng).第10場(chǎng)第11場(chǎng)時(shí)間時(shí)間/%11TT/2T/4T/8.T/1024T/20482T12T16.6722T1TT/2T/4.T/512T/10244T13T30.7734T2T1TT/2.T/256T/5128T16T5048T4T2T1T.T/128T/25616T23T69.57516T8T4T2T.T/64T/12832T38T84.21.122048T1024T512T256T.2T1T4095T4095T100研究表明，刷新率要達(dá)到60Hz以上，人眼才感覺(jué)不到閃爍，屏幕越大，刷新率要求越高。此次設(shè)計(jì)因?yàn)槭轻槍?duì)大屏幕顯示，所以要求刷新率為120Hz，即每一屏的顯示時(shí)間為8ms，如果采用方案5，則顯示數(shù)據(jù)的總時(shí)間為38T，那么T=8.3ms/38218s，因?yàn)槭庆o態(tài)顯示屏，所以每行掃描一次的時(shí)間就是218s。以此類(lèi)推，得表3：表3 總時(shí)間與每T時(shí)間關(guān)系表方案總時(shí)間每行一次掃描時(shí)間/s112T691213T638316T518423T360538T218.124095T2可見(jiàn)在亮度提升的同時(shí)，留給每行一次掃描的時(shí)間在減少，這就要求驅(qū)動(dòng)控制芯片必須要擁有很高的頻率，增加了硬件成本，當(dāng)分辨率增加時(shí)，這種成本的增加尤為明顯。且芯片頻率不可能無(wú)上限提高，這也就制約了亮度的無(wú)限增大，應(yīng)根據(jù)需求選擇最合適的方案。3 FPGA的實(shí)現(xiàn)LED大屏幕顯示器擁有高分辨率，高刷新率，需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量大，且其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)字時(shí)序邏輯相當(dāng)復(fù)雜，采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)可以集眾多模塊于一身，很好的簡(jiǎn)化電路，方便調(diào)試5。本文設(shè)計(jì)的LED大屏全彩顯示器的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，涉及到數(shù)據(jù)接收模塊，數(shù)據(jù)緩沖模塊，反校正模塊，灰度掃描模塊，數(shù)據(jù)存取模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊等。整個(gè)系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。本文主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的反校正模塊和灰度掃描模塊進(jìn)行討論，利用FPGA作為主掃描控制芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)由紅，綠，藍(lán)三色組成的LED大屏幕顯示系統(tǒng)的控制。圖1 大屏幕LED顯示器控制系統(tǒng)整體框圖3.1 反模塊的實(shí)現(xiàn)FPGA的IP核技術(shù)能夠非常方便的在FPGA內(nèi)部配置出常用的模塊，我們只需修改其端口就能在自己的系統(tǒng)中直接調(diào)用以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，避免了重復(fù)勞動(dòng)，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。在實(shí)踐中，當(dāng)顯示器處于不同明暗環(huán)境中時(shí)，所需反校正的力度也是不同的，一般取1.62.8等分的4個(gè)值，對(duì)應(yīng)的查找表置于不同的ROM中，供用戶手動(dòng)選擇分別用于不同的環(huán)境，也可安裝亮度檢測(cè)設(shè)備讓顯示器自動(dòng)選擇。以單色反校正為例。由于與的取值有4個(gè)，對(duì)應(yīng)的ROM也有4個(gè)，這需要使用2根地址線gamma_s來(lái)產(chǎn)生使能信號(hào)，根據(jù)當(dāng)前設(shè)定的值選擇與之匹配的ROM。8位的色彩數(shù)據(jù)addr_color_in占用8根地址線，同時(shí)接到4個(gè)ROM的輸入端，但只有被gamma_s使能選中的ROM才能有數(shù)據(jù)輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了單個(gè)顏色的反校正，另兩種顏色通過(guò)同樣的方法校正，之后data_color_out數(shù)據(jù)送到灰度掃描模塊中產(chǎn)生灰度數(shù)據(jù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。對(duì)反校正模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖3，切換時(shí)僅延遲兩個(gè)時(shí)鐘周期，反應(yīng)迅速準(zhǔn)確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖2 反校正模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3 反校正模塊的仿真3.2 灰度掃描模塊的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要求用于分辨率為1280720的720P高清大屏幕LED顯示器上，刷新率要求120Hz。通過(guò)對(duì)表2和表3的分析，采用發(fā)光效率為84.21%的方案5，點(diǎn)頻率約為5.87MHz，這對(duì)于最高移位頻率達(dá)25MHz的列驅(qū)動(dòng)器件MBI5026來(lái)說(shuō)，是很可靠的。灰度掃描芯片通過(guò)產(chǎn)生MBI5026的控制時(shí)序信號(hào)來(lái)形成灰度。MBI5026為16位恒流串入并出移位寄存器，共有3個(gè)控制信號(hào)。CLK為移位時(shí)鐘信號(hào)，上升沿到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)從串行輸入口SDI上移入顯示緩存，同時(shí)MBI5026內(nèi)部所有的緩存值向串行輸出口SDO方向移一位，最靠近SDO的緩存值則從SDO口移出，輸入到下一級(jí)MBI5026中。LE為數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，只有當(dāng)LE出現(xiàn)高脈沖時(shí)，16位并行輸出引腳上的值才會(huì)被MBI5026內(nèi)部的緩存值改變，且是同時(shí)改變。OE為使能信號(hào)，只有當(dāng)OE為低電平時(shí)，16位并行引腳上才有效輸出，換言之，只有當(dāng)OE為低電平時(shí)，LED燈才受輸入數(shù)據(jù)控制。前面已經(jīng)算出LED的點(diǎn)頻率為5.87MHz，所以灰度模塊生成的clk_shift頻率應(yīng)為5.87MHz，每行一次掃描時(shí)間內(nèi)要完成1280次移位，所以LE信號(hào)應(yīng)每隔1280個(gè)clk_shift周期生成一個(gè)高電平脈沖，持續(xù)至少50ns。使能信號(hào)OE是實(shí)現(xiàn)灰度的核心，它的有效時(shí)間直接關(guān)系到LED燈的點(diǎn)亮?xí)r間，12位灰度數(shù)據(jù)從低位到高位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間從T/128倍增到16T，各位組合就能顯示4096級(jí)灰度。OE用LE的下降沿觸發(fā)，這樣可以保證輸出灰度信號(hào)的穩(wěn)定和準(zhǔn)確?；叶葤呙杩刂茣r(shí)序仿真如圖4。圖4 灰度掃描控制模塊的仿真在設(shè)計(jì)控制時(shí)序時(shí)，考慮到OE的有效時(shí)間如果完全按照從16T倍減到T/128的順序，會(huì)使最亮和最暗的場(chǎng)分布在每幀的兩端，有可能在幀過(guò)渡時(shí)因?yàn)榱炼鹊耐蛔兌鸩槐匾拈W爍感，解決方法是在數(shù)據(jù)緩存時(shí)就將12位灰度數(shù)據(jù)打亂換位存儲(chǔ)，輸出的點(diǎn)亮?xí)r間就不會(huì)按兩倍的時(shí)間倍減，人眼就只能感受到平均亮度而不會(huì)察覺(jué)到不連續(xù)感。此外，F(xiàn)PGA內(nèi)部還集成了讀寫(xiě)地址發(fā)生器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)FIFO，SDRAM和雙口RAM的控制，其中雙口RAM采用“乒乓操作”輪流接收和讀出數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)LED顯示屏顯示畫(huà)面的無(wú)縫銜接。4 結(jié) 語(yǔ)本文對(duì)LED顯示屏常用的反校正方法和灰度實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了討論，對(duì)查找表法反校正和子場(chǎng)灰度掃描法進(jìn)行了詳細(xì)論述。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，在亮度和分辨率都留有提高余地的情況下選擇了點(diǎn)亮效率為84.21%的方案5實(shí)現(xiàn)4096級(jí)灰度，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確合理?；贔PGA進(jìn)行設(shè)計(jì)的掃描控制系統(tǒng)配置靈活，可在客戶要求下調(diào)整分辨率，刷新率和亮度，無(wú)論是在要求高亮度的室外靜態(tài)掃描屏還是高分辨率的室內(nèi)分時(shí)掃描屏上都能很好的適用。參考文獻(xiàn)1 楊庚.LED顯示屏灰度等級(jí)的提高及非線性校正J.液晶與顯示，2001,16(2):150-156.(Yang Geng. 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