（信号与信息处理专业论文）大尺寸led背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究.pdf

大尺寸l 印背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法 摘要 新型的l e d 背光液晶电视以其背光低功耗，易于分区控制等优点得到越来 越广泛的关注。其中利用f p g a 的实时性好、开发周期短、风险较低的优点对 u d 背光液晶电视动态背光控制和实时视频图像的处理是较好的解决方案。 本文首先介绍了课题的主要背景，l e d 背光液晶电视的国内外发展现状、 课题的研究意义、课题的来源和本文的主要研究工作及论文组织结构。然后在 第二章介绍了f p g a 的发展及f p c 擒的特点，并重点介绍了c y d o n e i 系列 f p g a 的硬件结构，硬件描述语言，开发工具q u a n u s 以及f p g a 开发的一 般原则。 第三章首先介绍了视频图像处理的一般方法，然后重点介绍了在采用区域动 态控制( l o c 铷乙- d i m m n g ) 的u d 背光液晶电视中实现减轻运动模糊和对 比度低的原理和采用的一些方法。 第四章是本文的重点所在，首先介绍了高速数字电路设计的一般的概念、高 速数字电路设计中常见的一些问题及解决办法。然后重点论述了大尺寸液晶电 视u 刃背光源动态控制系统的硬件实现，主要内容包括u 旧s 信号接口的设计， f p g a 电路设计，电源设计，锁相环的电源设计，p c b 的l a y o u t ，e m c 设计等。 作者还根据在实际项目开展中碰到的问题做了较详细的分析，并根据本章前面 提出的方法对实际的闯题进行了修正，得到比较满意的结果。 文章的最后给出了f p g a 硬件电路的调试结果，验证了设计目标。本文成果 已批量应用于我国首款批量上市4 2 英寸超薄u d 背光电视，具有良好的经济 效益和广阔的市场前景。 关键词：f p g a ：高速数字电路；l v d s ；e m c ；l e d h a r d w a n i m p l e m e n t a t i o na n da l g o t h mr e s e a r c ho fd y n a n l i c c o n t r o ls y s t e mo fl a r g e s i z el e d b a c i g h tl c d t v a 由s t r a c t l e d 蛐g h tl c d t vh a sg o cm o 犯勰dm o 豫a 圮n i o nf o r i t s1 0 w 一娜，c r b a c k l i 曲t ，e a s yt oc 0 n t r 0 1w i t h1 0 c a l d i 衄i n gs t y l e o n ew a y t 0u s ef p g a 嬲恤 b a c k l i 曲tc o n 昀l h n gd e v i c ei sab e t t c rs 0 l u t i o nf o ri t sa d v 卸t a g e0 fr e a l - t i m e 觚d 1 0 w e rd e v e l o p i n gr i s k f i j 蛋t ，t l l i sa n i d ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to fl e db 砌g h tl c d ，t h em a i n s u b j e c to ft h eb a c k g r o u n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u o a th o m e 缸da b r o a d ， 也er e s e a r c hs i 印j 丘c a n c co ft h es u b j e c t 也em 咖s o u 成o fr e s e a r c h 缸dt h e s i s s t m c t u r c a n dt h e ni nt h es e c o n dc h a p t e r t h i sa n i c l ei n t r o d u c c dt h ed e v e l o p m e n t0 f f p g at h ef c a t u r c so f f p g a 托d 胁s e s0 nt h ec y c l o n emf 猢yo ff p g a h 锄撕a r c 删t c c t u r c ，h a r d w a r ed e s 面p t i o nl a n g i l a g e ，( 舢a n u s 签w e l l 嬲t h e g e n e r 试p 凼c i p l e so ff p ( ad e v e l o p l n e n t c h a p t e rm 触t i n t r o d u c c dv i d e 0i m a g ep r o c c s s i l l go ft h eg e n e r a la p p r o a c h ，锄d t h e n 妣l l s e s0 nt h ep 血c i p l e s 姐dm e 也0 l d so f l e d b a d d i g h tl c d 1 vt 0a 出e v et 0 r e d u c em o t i o nb l u ra n dl o wc 0 n t r 乏晦t c h a p t e r i st h em o s ti m p o r t a n tp a n 0 fm ca n i c l e f i r s tw ci n t i 们u c e dt h eb a s a l c o n c e p to fh i g h - s p e e dd i 酉t a lc 栅i t ，t h ec o m m o np r o b l 锄s 锄ds o l u t i o 璐i na h i g h - s p e e dd i 百t a lc 概i td e s 酒n e nw ei n 仃0 d u c e dt h ec i r 叫tp 抓o ft h cd e s 枷i n t h i sa n i c l ei nd e t a i l n ea i t i d e 妣u s e s0 nt h ed e s i 弘o fc i r 饥i t s ，、h i c hi l l d u d i i l gt h ed e s i 盟0 fn d s s i 弘a li n t e 血c c ，t h ed e s i 印o ff p g ac i r c u i t ，p o w e rd e s 酒o ft h ew h o l es y s t c m ，t h e d e s 诬o fp 0 w e rs 珏p p l yo fp h a s c - l 酗dl o o p ，p c b sl a y o u t e m c ，a n e ri n 昀d u c e d t h ec 0 衄o np r i n c i p l eo ft l l e s ed e s i 印，t h e 卸t h o rd i dad e t a i l c d 如a l y s i sa n dm e t b o d o nt h ea c t u a lp r o b l e m sw h i c hh ee n c 0 u n t e r e d 弛a l l y t h ea n i d ep r e s e n t e dt h er c s u l t so ff p g ah a 面w a r ed e b 哪自g 岵w l l i c h v e r i 丘c dt h eo r i g i n a l 於s u m e t h eh 2 u r d w a r co ft h es y s t e mp r o v i d c sa9 0 0 df o u n d a t i o n f o r t h en e x tp h a s eo fd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：n g a ；h i g h s p e e dd 博t a lc u 瑚i t ；啪s ；e m c ；l e d 独创声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 童旦没直基地霞蔓挂型直盟的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名量圜鸠签字日期五民纷6 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：姗 签字吼冲6 月，日 导师签字： 签字日期： 厨。午4 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 1 绪论 1 1 课题的研究背景 本课题来源于海信集团有限公司承担的国家8 6 3 重大专项课题“低成本 动态l e d 光源系统开发”。 u m 光源因其低电压启动及工作、色域宽( 1 0 5 n r s c ) 、工作电流可变、 可控性好、响应速度快、寿命长( 1 0 0 ，0 0 0 小时) 等优势在工业及消费电子领域逐 渐得以广泛应用。 目前国内k d 背光产业在中小尺寸液晶背光模组上有一定优势，但大尺寸 液晶背光模组仍比较落后。本课题的进行，将促进国内u d 大尺寸液晶模组相 关产业链的形成，并真正实现采用l e d 背光模组的液晶电视产业化；还将一定 程度上缓解液晶显示国产化核心部件缺乏状况，完善液晶电视的产业链，加快对 液晶电视核心技术掌握的步伐。 2 0 0 3 年之前，d 背光专利在1 0 0 项以下，而从2 0 0 4 年开始出现突发性 增长，达到近2 0 0 项，2 0 0 5 年突破了5 0 0 项，而到2 0 0 6 年预计将达到1 0 0 0 项 以上。这标志着l e d 背光方面的研究从2 0 0 4 年开始进入了高速发展时期。 根据统计，目前全球在l e d 方面在美国申请的专利中从比例上来看，大部 分( 7 0 以上) 是关于u d 芯片和封装方面的，背光方面专利数比例在8 ，而 l c d 用l e d 背光更在5 以下，关于大屏幕、动态控制等方面的专利则更少。 从比例上我们可以看出大屏幕以、d 用l e d 背光研究尚处于起步阶段。 1 2 国内外研究现状综述 目前，我国的电视l c d 背光源产业仍处在起步阶段，虽在中小尺寸液晶背光 模组上有一定的优势，但针对大尺寸液晶模组的技术尚匮乏，未形成规模经济， 大尺寸t f t l c d 背光模组几乎全部依赖进口。 c c f l 作为液晶电视的背光技术越来越成熟，但是c c f l 以其固有的高压驱动， 低色域，存在汞污染等缺点使人们开始寻找更好的替代光源，l e d 作为新型环保 光源开始浮出水面。若是l e d 能替代c c f l 作为l c d 未来背光源的首选，其市场 无疑是巨大的。因此，在大尺寸l c d 用l e d 背光模组的巨大商机吸引下，全球主 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 要l c d 面板和整机厂商纷纷采取不同的市场与投资策略，以利抢占市场先机。 2 0 0 4 年，s o n y 率先将l e d 背光技术产品化，推出了一款采用l e d 背光的2 3 英寸 l c d 显示器和一款4 6 英寸的液晶电视。尽管这两款产品都存在功耗高、发热量 大和价格高昂的缺陷，但l e d 在显示质量方面的优势得到了充分体现。 在2 0 0 5 年5 月举行的s d2 0 0 5 ( 2 0 0 5 显示信息学会) 会议上，l g 一飞利浦、 三星电子等都展出了他们各自的u d 背光平面显示器。其中l g - 飞利浦还首次 提出将u d 与c c f l 混用各取所长的背光解决方案，通过这样的设计不仅降低 了u d 背光的功耗问题，还将u c d 的对比度有所提升。日本s h 讯p 公司也公 开展示了类似设计的大尺寸l c d 电视样机。 目前国外主要是以三星、l g 、p b j l 蛐和s o n y 等为代表的面板和整机企业 在大屏幕液晶电视用、d 背光方面投入力量研发并取得一定成果并开始将产品 推向市场。而国内的厂商在专利申请和产品推出方面则相对落后。 此外，在超大液晶屏幕如5 0 英寸至6 0 英寸之间的尺寸，韩商与日商等开发 计划中也都将l e d 背光模组列在技术蓝图上。日本索尼在“2 0 0 6 年国际消费者 电子产品展( i n t e r n a t i o n a lc e s ) 公开了目前全球最大尺寸的8 2 英寸液晶电 视试制样机，使用的是索尼与三星合资创办的韩国s l c d 公司生产的高分辨率 ( 1 9 2 0 1 0 8 0 像素) 液晶面板，其使用的背光源都是当前热捧的l e d 而非传统 c c f l 。 我国台湾省的友达光电、奇美光电、中华映管等液晶面板厂商也都展出了各 自得l e d 背光l c d 样机，但由于成本高昂、量产工艺性未解决等原因，尚未投入 量产。 尽管如此，大屏幕液晶电视用d 背光在成本、功耗、性能指标、动态控 制等诸多方面还有很大的提升空间，而l e d 背光源的动态控制系统作为实现 l e d 背光源优势的关键部分成为一项新技术【7 】。 1 3 课题研究的意义 大尺寸液晶电视l e d 背光源作为半导体照明工程在新材料技术领域也得到 了国家的大力支持，成为“8 6 3 重大专项课题”之一。 f p 蝴场可编程门阵列) 正向着更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多 2 大尺寸u i d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 口的方向发展，f p g a 的使用非常灵活，同一片f p g a 通过不同的编程数据可以 产生不同的电路功能。f p g a 在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事 和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，f p ( 遗 还将进入更多的应用领域。在本项目中，由于需要根据图像的亮度等信息来控制 背光的亮度，因此需要进行大量的实时图像数据的采集和统计。另外还有可能根 据实际需求对动态控制算法进行升级，利用f p g a 可以最大的降低采用a s i c 不 成功带来的风险，而且可以缩短开发周期，大大增强了系统的灵活性。在消费电 子更新换代速度日益提高的今天，f p g a 无疑是一种很好的选择。因此本设计中 将采用f p g a 作为动态控制系统的控制芯片，来实现算法所需求的平台。 l e d 的颗粒型和响应速度快的特性使其作为液晶电视的背光源可以实现提高 背光亮度的可控性，这样可以大大提高图像的质量，相比传统静态或者整屏亮度 调整的背光源，u d 背光源可以更高效的达到节能的效果。又由于液晶电视的 能耗以背光源的消耗为最大，因此控制背光的能耗可以最大程度上降低系统的能 耗。 为了降低传统液晶分子响应速度带来的拖影，对图像进行倍频插帧是一个很 好的解决方案。本设计采用了p e l w 0 r k s 的一个较为成熟的方案，实现了对 图像的倍频等处理。 通过开展此课题的研究，可以实现基于f p ( 迭的l c d 电视图像倍频与u d 背光动态控制系统的开发，并在将来应用到大尺寸d 背光电视及同类显示产 品( 电脑液晶显示器、笔记本电脑、便携式d v d 等) 上，从而推动我国显示类背 光模组的上游关键技术的突破。 1 4 课题来源及主要的研究工作 本课题来源于海信集团有限公司多媒体研发中心担任的国家8 6 3 重大专项 课题- “低成本动态l e d 光源系统开发”。 主要研究工作： f p g a 器件的结构及其开发方法 高速数字电路设计方法 3 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 l e d 背光源设计 u d 背光区域动态控制方法 动态背光扫描方法 l 、s 接口电路的设计实现 f p g a 电源电路的设计实现 全文的结构如下： 第一章为绪论，主要介绍了课题的主要背景及研究意义，课题的来源和本文 的主要研究工作及论文组织结构。 第二章为与f p g a 开发相关的介绍，包括a i 肛r ac y c l o n em 系列 f p g a 的体系结构，硬件描述语言，开发工具q u a r 弧y s 以及f p g a 的基本开 发原则，为以后的设计工作做铺垫。 第三，四章为论文的中心所在，详细介绍了u d 背光液晶电视动态控制系统 的设计思想，算法原理及硬件系统平台的设计实现。 第五章是系统的测试平台及调试成果，及设计实现的产品与一般电视的性能 比较。 1 5 本章小结 本章主要介绍了课题的主要背景，以及国内外l e d 背光液晶电视的发展现状 及发展趋势，同时介绍了课题的研究意义，以及课题的来源和本文的主要研究工 作及论文的组织结构。 4 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 2f p g a 介绍，结构及其开发方法 2 1 f p g a 简介 2 1 1f p g a 的发展 在数字化、信息化的时代，数字集成电路的应用非常广泛。随着微电子技术 与工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模 集成电路逐步发展到今天的专用集成电路( a s i c ) 。 a s i c 的出现降低了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物 理尺寸，推动了社会的数字化进程。但是全定制a s i c 因其设计周期长、改版投 资大，灵活性差等缺陷制约着它的应用范围。 随着微电子制造工艺的发展，可编程逻辑取得了长足的进步，它的灵活性极 大地缩短了工程师进行项目开发的进程。到今日已经发展成为可以完成超大规模 的复杂组合逻辑与时序逻辑的现场可编程逻辑器件( f p g a ) 和复杂可编程逻辑 器件( c p l d ) 。 随着工艺技术的发展和市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型 f p q 牝p l d 不断推陈出新。新一代的f p g a 集成了中央处理器( c p u ) 和数字 信号处理器( d s p ) 内核，在一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可 编程系统( s o p c ) 提供了强大的硬件支持。 口设计的出现，使得工程师们进行更大更复杂的逻辑实现成为了可能。m 核设计者只需将实现某一功能的口标准化，系统工程师就可以非常容易的利用 这一功能，顺利的完成整个系统。 2 1 2f p g a 与c p l d 特点 f p 蝴p l d 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服 了普通a s i c 设计周期长、一次性投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字 硬件电路设计的首选。当代的f p g a 、c p l d 有以下特点： 规模越来越大。 开发过程投资小。 f p 蝴p l d 一般可以反复的编程、擦除。 即g c p l d 开发工具智能化，功能强大。 新型的f p g a 内嵌c p u d s p 内核，支持软硬件协同设计，可以作为片上可编 5 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 程系统( s o p c ) 的硬件平台。 新型f p g a 可以内嵌高性能a s i c 的h 删c c i f e 。通过这些h a r d 口( 知识产权) 和软件m 使完成更加高速复杂的逻辑设计成为了可能。提高了系统的工作频率 与效能，减轻了工程师的任务量，避免了研发风险，加速了研发进程。 2 1 3 利用f p g a 进行系统设计流程 e d a 工具面世之前，人们采用传统的硬件电路设计方法来设计系统，传统 的硬件电路采用自下而上( b 唧m u p ) 的方法。其主要步骤是：首先根据 系统对硬件要求，详细编制计划规格书，并画出系统控制流程图：然后根据技术 规格书和系统控制流图，对系统功能进行分化，合理划分功能模块，并对各个功 能模块进行细化和电路设计；各功能模块电路设计调试完毕后，将各个功能模块 的硬件电路连接起来，再进行系统的调试；最后完成整个系统的硬件电路调试。 “自顶向下”( t b p d o w n ) 的设计方法从系统级设计入手，在顶层进行功能方 框图的划分和结构设计；在方框图一级进行仿真、纠错，并用硬件描述语言对高 层次的系统行为进行描述；在功能一级进行验证，然后用刷电路板或专用集成 电路。“自顶向下”设计方法有利于在早期发现产品结构设计中的错误，提高设 计的一次成功率，在e d a 技术中被广泛采用，见图2 1 完整的h ，g 擒设计流程。 i 电路设计 上 i 版图设计 图2 1 完整的f p g a 设计流程 2 2c y l o n e i 系列f p g a 介绍 c y d o n e f p g a 采用台湾半导体生产公司呷m c ) 的6 5 - 啪低功耗) 工 6 太r 寸王上d * 谴晶电视动态控制系统的硬件实现自算法研究 艺技术进行生产，以低于a s i c 的价格实现了低功耗。它具有5 k 至1 2 0 k 的逻 辑单元( l e ) ，以及4 m 比特的存储器和2 8 8 个数字信号处理( d s p ) 乘法器。 c ”k 肿i 为通用器件，应用范围很广。由于它带有存储器和d s p 功能，所以用 作视频图像处理、无线应用和数字显示则更显优势。 图2 2c ”l 叩e if p g a 的平面布局 图2 - 2 为o d 衄c 埘系列的f p 6 a 的平面布局图，其中f p g a 包括基本的逻 辑阵列，锁相环( p u ) 资源。内部的m 9 k 存储块，嵌入式乘法器，及可支持 8 7 5 m b p s 的高速i v d s 和可支持4 0 0 m b p s 存储器接口的1 0 单元。用户可以根据 自己的速度和逻辑资源需要选择不同型号的f p g a 。 c v d o e l e 介绍 图2 3c y c l o m m l e 图2 - 3 为f p g a 基本逻辑单元l e 的单元结构图，每个l e 包括了一个四输 出查找表和一个d 触发器还有进位链逻辑和【e 之问的互连逻辑。当组台逻辑 的输入较多时，可以通过进位链实现大于4 位的组合逻辑。同时可以利用l e 内 淼 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 部的触发器来实现数据的寄存。利用这些功能就可以实现比较复杂的逻辑功能。 c y c l 衄e i i l 锁相环( p u l ) 介绍： 中一 丹 霉匮 芒：h 酬引竺岭 哥 雌 号 眦 匡p 淼 廿 * 州 。甜 廿 。宝 闭 。毒 r 1 瑚一 、w 嘲_ ，目“_ 目_ 图2 4c v l o n e 锁相环结构图 图2 4 为c y l o n e p u 工具进行仿 真，再自动综合到门级电路，再用a s i c 或者f p g a 实现其功能。 8 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 硬件描述语言的发展至今已有近三十年的历史，并成功的应用于设计的各个 阶段，仿真，验证，综合等。到8 0 年代时已经出现了上百种语言，并向着标准 化的方向发展，v 】皿i l 和v e r i l o g 圈) l 顺应了这种发展趋势，先后成为m e e 标 准。 嘲1 0 9 网) l 语言是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统设计。设计者 可以利用它进行各种级别的逻辑设计，可以用它进行数字逻辑系统的仿真验证， 时序分析和逻辑综合。它是目前最广泛的一种硬件描述语言。m o g 阳) l 是在 1 9 8 3 年g d n g a t e w a yd e s i 弘a u t o m a t i o n ) 公司的p k l m 0 0 帕y 首创的。在 1 9 8 4 1 9 8 5 年问，m 0 0 r b y 设计了第一个关于v e r i l o 分x l 的仿真器，1 9 8 6 年他又 提出了用于快速仿真的算法。随着v e m o g x l 算法的成功，m o g - 瑚) l 得到迅 速的发展。 d l 也是一种用于逻辑设计的硬件描述语言，是由美国军方组织开发的， 其最先成文匝e e 标准。其英文全名为s i ch 觚1 w a r cd e s c r i p t i o ni 加g u a g c 。 r i l o g 印) l 和v l 缸乙作为硬件设计的语言，其共同的特点在于：能形式化 地抽象表示电路的结构和行为；支持逻辑设计中层次与领域的描述；可借助高级语 言的精巧结构来简化电路的描述；具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性； 支持电路描述由高层到底层的综合转换；硬件描述与工艺无关( 有关工艺参数可通 过语言提供的属性包括进去) ；便于文档管理；易于理解和设计重用。v c r i l o gh d l 在系统级抽象方面比v 】缸) l 略差些，而在门级开关电路描述方面比缸) l 强得 多。v e r i l o g 期d l 较为适合系统级( s y s t e m ) 、算法级( 鲇9 0 r i t h m ) 、寄存器级、 门级( g a t e ) 、开关级( s 谢t c h ) 设计，而对于特大型( 几百万门级以上) 的系统级设计， v 】丑) l 则更为合适。 v e r i l o g 加) l 采用自顶向下c i d p d o w n ) 的设计理念，从系统级开始，把系 统划分为基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，f p g a 系统设计方法一直这样下去，直到可以直接用e d i a 元件库中的元件来实现为止。 q u a n u si i 是m t e r a 公司的可编程逻辑器件开发软件平台，它是一个高度集成 的高效设计环境，包含了可编程逻辑器件设计中所有的输入、编译、综合优化、 定时分析、仿真以及器件编程等设计功能。 c 砸a n u s 使用简便，而且对t e m 系列器件的编译配置性能最为优异。支持 的器件非常广泛，包括s t r a t i ) 【，c y l o n e ，f i 正x 7 0 0 0 等系列器件等；采用了 9 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 l o 西c k 斌增强技术提高了设计效率，可以支持百万门级的设计，并且对第三方 工具提供了良好的支持。新增加的s i 弘娃唧( 嵌入式逻辑分析仪) ，它能够捕获 和显示可编程器件设计中实时信号的状态，通过下载电缆，在计算机中观察 f p g a 内部节点信号，这样开发者就可以在整个设计过程中以系统级的速度观察 硬件和软件的交互作用；增加了功耗估算功能，在设计工程时，需要对f p g a 芯 片的功率开支进行预算，并根据功率预算来设计电源电路、降温制冷系统等。本 设计中使用的是触t e r a 公司的q u a n u sn 8 0 软件进行系统的仿真及验证工作。 2 4 黜系统设计基本原则 1 面积和速度的平衡与互换原则 这里的“面积”是指设计消耗f p g a 的逻辑资源的数量，对于f p g a 可以用 所消耗的触发器和查找表来衡量，更一般的衡量方式可以用设计所占用的等价逻 辑门数。“速度”指设计在芯片上稳定运行，所能够达到的最高频率，这个频率由 设计的时序状况决定，和设计满足的时钟周期密切相关。面积和速度这两个指标 贯穿着f p g a 设计的始终，是设计质量的评价的终极标准。面积和速度是一对对 立统一的矛盾体。要求一个同时具备设计面积最小，运行频率最高是不现实的。 更科学的设计目标应该是在满足设计时序要求( 包含对设计频率的要求) 的前提 下，占用最小的芯片面积。或者在所规定的序余量比较大，跑的频率比较高，意 味着整个系统的质量更有保证； 另一方面，设计所消耗的面积更小，则意味着在单位芯片上实现的功能模 块更多，需要的芯片数量更少，整个系统的成本也随之大幅度削减。作为矛盾的 两个组成部分，面积和速度的地位是不一样的。相比之下，满足时序、工作频率 的要求更重要一些，当两者冲突时，采用速度优先的准则。面积和速度的互换是 即g a 设计的一个重要思想。从理论上讲，一个设计如果时序余量较大，所能跑 的频率远远高于设计要求，那么就能通过功能模块复用减少整个设计消耗的芯片 面积，这就是用速度的优势换面积的节约；反之，如果一个设计的时序要求很高， 普通方法达不到设计频率，那么一般可以通过将数据流串并转换，并行复制多个 操作模块，对整个设计采取“乒乓操作和“串并转换”的思想进行运作，在芯片输 出模块再在对数据进行“并串转换”，是从宏观上看整个芯片满足了处理速度的要 求，这相当于用面积复制换速度提高。 2 硬件原则 1 0 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 f p g a 的逻辑设计所采用的硬件描述语言( h d l ) 同软件语言( 如c ，c + + 等) 是有本质区别的。以v e r i l o g - 网) l 语言为例，虽然v e m o g 很多语法规则和c 语 言相似，但是r i l 0 9 作为硬件描述语言，它的本质作用在于描述硬件。m o g 是采用了c 语言形式的硬件的抽象，它的最终实现结果是芯片内部的实际电路。 所以评判一段冈) l 代码的优劣的最终标准是：其描述并实现的硬件电路的性能 ( 包括面积和速度两个方面) 。 评价一个设计的代码水平较高，仅仅是说这个设计由硬件向阳) l 代码这种 表现形式转换的更流畅、合理。而一个设计的最终性能，在更大程度上取决于所 构想的硬件实现方案的效率以及合理性。 3 系统原则 系统原则包含两个层次的含义：更高层面上看，是一个硬件系统，一块单板 如何进行模块花费与任务分配，什么样的算法和功能适合放在f p g a 里面实现， 以及f p g a 的规模估算数据接口设计等；具体到f p g a 设计就要求对设计的全局 有个宏观上的合理安排，比如时钟域、模块复用、约束、面积、速度等问题。 4 同步设计原则 采用同步时序设计是f p g a 设计的一个重要原则。由于异步时序电路的核心 逻辑用组合电路实现，比如异步的f i f o 洲读写信号，地址译码等电路，而 且电路的主要信号、输出信号等并不依赖于任何一个时钟性信号驱动触发器产生 的，所以异步时序电路的最大缺点是容易产生毛刺。因而为了避免毛刺产生，全 面提高设计的频率和系统的稳定性，一般均采用同步时序设计：使用时钟沿触发 所有操作。 2 5 本章小结 本章介绍了论文中所使用的硬件开发系统包括f p g a 的特点、结构、工作原 理、开发流程和软件开发系统包括v e r i l o g ) l 硬件描述语言以及t e m 公司的 q i l a m s 软件的基本说明，并在此基础上着重介绍了f p g 後系统的基本设计原 则。 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 3 视频图像处理及l c d 背光动态控制系统 3 1 视频图像处理的基本特点 人眼的视觉惰性：人眼的亮度感觉不会随着物体亮度的消失而立即消失，而 有一个过渡时间。所谓的视频图像即是根据人眼的这个特点实现的，当每秒放映 的画面在2 5 帧以上时，人眼的感觉便是一个连续的视频，而非单独的画面。所 以，视频图像序列可以表示为厂o ，y ，f ) 。在时间t 不变的情况下对每幅图像进 行处理，即可达到对整个视频处理的效果。 3 1 1 数字图像处理 目前，数字图像处理的信息大多是二维的信息，处理信息量非常大。例如一 幅1 0 8 0 p 高清图像，约有2 0 0 万个像素，每个像素又包括r g b 三个基本图像信 息，对视频图像，即数字图像序列，每秒的处理量还要在每幅图像的基础上乘以 每秒的帧数，数据量相当可观。 数字图像处理包括很多方面，图像增强，图像复原，图像的几何变换，图像 压缩，图像分割，图像特征分析等等，因为本文研究的是液晶显示，图像增强对 于本文有较大的意义，其他不另做叙述。 图像增强技术根据图像增强处理所在的空间不同可以分为2 类，一是频域 处理法，一是空域处理法。频域处理方法是在图像的变换域对图像进行间接处理， 特点是需要对图像进行频域变换和反变换。空域处理法是直接对二维图像的像素 进行处理，基本上是对灰度映射变换为基础的。所采取的变换方法取决与变换的 目的。灰度映射变换包括图像灰度变换和直方图修正。灰度映射变换是一种简单 有效的对图像增强的办法。特别是在视频图像增强方面得到了广泛的应用。这种 方法简单，利用的逻辑资源少，效果明显而且易于实现。所以在实际应用中更倾 向于后者。 图像灰度变换可以使图像动态范围加大，使图像对比度扩展，图像更加清 晰，特征更加明显。灰度变换的实质就是按照一定的函数关系修改每一个像素的 灰度。 图像的灰度直方图是图像的重要统计特征，是表示数字图像中每一个灰度 级与该灰度级出现的次数间的统计关系。直方图是图像的一维信息描述，它能反 映图像的灰度范围，灰度级的分布，整幅图像的平均亮度等信息，通过对图像的 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 直方图分析的结果可以对图像进行直方图修正、直方图均衡化等操作，图像效果 明显。 3 1 2 图像质量评价 图像质量的含义包括2 个方面：图像的保真度和理解度。保真度是指被评价 图像与标准图像的偏离程度，两者属于同一个映像，只是由于传输和处理等原因 而造成了偏差，因此保真度往往指图像细节方面的差异。理解度表示图像能向人 或者机器提供信息的能力，其中包括清晰度和美感等，理解度往往指的是图像整 体和细节的总体概念。 3 2l e d 背光液晶电视动态控制系统的设计思想及算法原理 3 2 1 液晶显示的基本特性 l ( 、d 不是主动发光器件，它需要背光源才能看到图像，事实上背光源是液 晶屏消耗能量最多的器件，最传统的背光源是c c 咖c f l 。白光u d 【1 0 】由于 以下优点逐渐成为流行的背光源：( i ) 低功耗【2 0 】，高光效( i i ) 高n 稿c 色域。 ( i i i ) 快速的相应时间( 低于0 1 m s ) ( i v ) 封装小，易于实现区域控制。 传统的液晶电视是由一个亮度不变的背光模组和n l ( 、d 组成的，背光模 组提供静态的光源，下k d 上的液晶分子在工作时就像开关一样控制每个像 素的亮度。这个传统的液晶电视系统有下面几个非常明显的缺点： 一、漏光严重：在液晶分子完全关闭的状态下背光没有完全被遮住，当图像 出于黑场的情况下，人眼看到的图像是一个呈现了一定灰度的图像，这种问题导 致的后果就是严重降低了图像的对比度。当一个传统液晶模组在白场的亮度是 5 0 0n i t 的时候，在黑场的亮度大约为0 5 n i t ，这就是说整个图像的对比度最高才 有1 0 0 0 ：1 。 二、运动模糊：当人眼看液晶电视上的高速运动图像时，由于眼睛的视觉暂 留现象，会在视觉上形成一个拖影效果。这个现象发生的原因大致有3 种：( i ) 液 晶分子的响应时间比较慢( i i ) 液晶分子的s c a n a n d h o l d 特性( i i i ) 人眼的视觉 效应( h v s ) 。 3 2 2u d 背光动态控制系统的算法原理 l e d 背光由于上面叙述的几个特点使人们可以更好的消除运动模糊和增大 图像的对比度，大大改善了图像的画质。下面逐一介绍利用亮度可控制的l e d 1 3 大尺寸l e d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 背光源来实现消除运动模糊地几种方法【2 1 】和实现区域动态控制的原理。 3 2 2 1 运动模糊及几种改善措施 人类视觉系统的特性： 同a 蜘骑g h l s b m u 弱 h v s r p o 嗍 j t 耐 曩h l 时 图3 1 当不同宽度的光脉冲刺激时人眼的响应【2 1 】 用阶跃光波刺激时，人眼的响应如图3 1 ，在刺激后几十毫秒时人眼感觉到 的亮度才达到项点，之后慢慢才稳定下来；在光波由亮变暗的时候有同样的响应。 这说明人眼的亮度感觉不会随着物体亮度的消失而立即消失，而是有一个过渡时 间。这被称之为视觉暂留。对c r t 来讲，荧光的余晖持续的时间大致为7 0 _ i l s 到 7 m s ，在这段时间内人眼对光的响应已经达到最终的值，因此，即使6 0 h z 的c r l 7 ， 前一帧的图像和后一帧的图像在人眼中也不会叠加而造成运动模糊。这一点对 l c d 来说则不然，由于l c d 的响应时间和s c 锄a i l d h 0 1 d 特性，图像实际存在的 时间较长，导致人眼对前后两帧图像的响应叠加到一起造成模糊。 另外，对运动图像来说，人类的眼睛只有在追踪上目标才可以感知到运动物 体，这种情况只有在物体做直线或者类似直线运动时才有可能。传统的c c f l 背 光源液晶电视的背光大致是恒亮的，又因为“m 以帧频输入数据并在整个帧周 期内保持，屏幕上的物体呈现阶梯状运动。解决这个问题的一个比较易于实现的 方案即是使液晶显示发出的图像的亮度保持时间变短。这有些类似c 盯的显示 原理。 下面有几个通过从改变l c d 图像显示的角度来消除运动模糊的技术：提高帧 1 4 大尼tl e d 背光挂晶电观自态控制系统磋件实现与算法研究 频、插黑帧的运动补偿插黑技术、m e ，m c ，扫描背光技术。提高帧频的方法是 一种复杂、对l c d 相应速度要求比较高的方法在此技术背景下，1 2 0 h z 甚至 2 4 0 h z 的【c d 面板相继出现。但是即使帧频加倍，滞留时间也仅仅是减半，此 外，所要求的运动预估计和补偿技术并不是微不足道的+ 运动补偿插黑技术既是在图像2 帧之间插入一个黑帧，但是黑屏数据的插入 会降低图像的亮度和对比度，除非配合扫描背光源 1 8 】。黑屏插入技术是常用的 缩短响应肘问的技术。通过在每个图像帧之间插入黑色帧，可以产生与c r i 相 似的快速脉冲调制效应。人脑可蛆滤除这种闪烁并自动产生中间图像，这样就可 以消除观看快速移动物体而时出现的模糊现象( 如图3 2 所示) 。闪烁的l e d 背光也可以起到和黑屏插入相类似的效果，不同的是，该技术利用有规律的熄灭 背光达到黑屏的效果。此外，通过对背光进行脉冲调制的背光扫描技术也可以达 到很好的效果。目前的趋势是将这几种快速响应技术结合使用，以获得更短的灰 阶响应时间。 图3 2 黑屏插入技术可以减低运动模糊 另外，还有删m c 技术。这种技术用在1 2 0 液晶上，不但使电影信号的 还原更加流畅，没有抖动，同时也更有效的消除了运动模糊的现象。不过这个技 术也不是尽善尽美，因为对运动物体的估计不一定1 0 0 准确，特别是两个物体 擦身而过的时候，不知道应该把哪个物体放在前面；同时由于是对图像分成小 块进行运动估计。运动物体的周田可能带有淡淡的影子( 脚o ) ，这也是美中不足。 由于h 伍，m c 是对整个图像进行实时处理，要求的运算能力和数据读写速度比较 高，而且随着图像的分辨率增加，对运算速度的要求成倍数提高。所以对硬件平 台的要求也就比较高。 另外一种方法是使用扫描背光源，也是本文叙述的一个重点。传统的c c f l r 寸l e d 背光涟晶电视动态控制系统的硬件实现；算法研究 背光源分为2 种一种是利用导光板的侧光背光，一种是直下式背光。由于c c f l 的驱动是采用高压驱动的，其亮度改变的速度有限，不能满足背光亮度根据每帧 的图像变化而变化的要求。由于l e d 的响应速度较快，可以非常容易的满足背 光控制的需要。采用高速响应的l e d 扫描背光源可以明显的降低运动模糊和增 大节能效率。 下面介绍一下采用扫描式背光源的原理。由于在一帧图像数据写入面板的时 候是采用的类似a 玎的扫描原理，不同的是液晶显示是逐行扫描而非隔行扫描， 由于液晶分子的响应时间( s 啪一a n d - h o l d ) 所限，液晶分子从一个旧的灰度转换 到一个新的灰度需要较长的时间，导致图像在人眼中的滞留时间过长，在帧间转 换的时候，人眼响应到的图像数据是一个模糊的数据，导致前面所讲的运动模糊 的现象出现。而扫描背光的原理即是使背光在液晶分子的转换期间关闭，而此时 人眼已经对先前的图像做了正确的响应。见图3 _ 3 ： 躺 图3 3 把照亮的结束时刻设计在新图像写入之时，可得最长的屏幕响 应时间。【3 8 当然，在具体应用的时候还要考虑到液晶显示的扫描原理。一帧图像显 示的时候，所有的液晶分子不是同时响应的，根据扫描原理，每行液晶分子 响应的起始时间是相同的，所以背光开始打亮的起始时问应该是最后一行的 液晶分子刷新稳定的数据起，至第一行的液晶分子数据刷新稳定之前。见图 3 4 所示； 大尺寸u d 背光液晶电视动态控制系统的硬件实现与算法研究 、i j ； ； 彳 、j ，i ；叭r i nt 1 霉 僻噶tl 币 l l l _ ： 望!1 f轰歹-f 。一、 崤嘲翻n 门h ；- !l 磷n州 l n _ 图3 4 关断背光的解决办法【2 1 】 利用扫描背光源还能有效提高显示对比度。在外部环境亮度较低的情形下使 用l l 电视时，l c d 屏幕上暗场景的对比度明显不足。因为即便是暗态背光 源也会有些漏光，这时候从某一角度看屏特别明显。在暗场景状态，可通过减小 背光亮度同时增强屏的透射来提高显示图像的对比度。减小光照占空比可以降低 亮度。用扫描背光减低亮度有另外的好处。在没有扫描背光的条件下，帧与帧之 间的照明没有明确界限，于是此帧的减暗行为可能会覆盖到下一帧。在有扫描减 暗背光的情形下，因为存在与屏上寻址相关的精确照明时序，完全可以寻址一整 帧而与前一