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液晶电视分区动态控制l 印背光源的研究与实现 摘要 目前，u d 背光源作为新型背光技术，在显示领域已占有一席之地。各种 u d 背光控制技术，也日益成为新的研究课题。在国内，u m 应用于大尺寸“卫 背光源设计，自2 0 0 6 年提升为国家8 6 3 重大项目课题。2 0 0 8 年国内首款u d 背光液晶电视海信朋4 2 t 0 8 g p 上市，这标志着新型的l e d 背光源控制技术正 逐步发展成熟。 本文首先简要介绍了液晶显示原理、f p g a 的应用与发展、以及l e d 背光 源设计方法，接着结合国内外u d 背光控制技术文献，对本文重点工作白 光l e d 液晶电视背光源的分区动态控制算法进行了分析和论述。 本文重点研究分区动态控制l e d 背光源对液晶显示性能的影响，对于以m 的u d 背光源硬件设计仅是简单的介绍。作者提出的l e d 分区动态控制算法， 大大提高了【c d 的对比度，液晶低灰阶漏光等普通c c f l 背光液晶原有问题有 了显著改善。控制算法对于液晶电视节能降耗成效明显，经初步测量算法平均节 能在3 0 以上。论文工作还将环境光因素添加到背光源的控制处理中，使电视给 人以长时间舒适的观看效果，并能有效节能。论文介绍了算法各个模块的功能、 及具体的算法实现过程。本文成果已成功应用于国内首款批量上市的超薄型4 2 英寸u d 背光电视，实现了良好的经济效益，具有广阔的应用前景。 关键词：l 印背光源、分区动态控制、对比度、节能、f p g a r e s e a r c ha n dim pie m e n t a tio no fl c dt va r e ad y n a m ic c o n t r oil e db a c kiig h t a b s t r a c t a tp r e s e 鸥l e db a d d i 曲tt e c h n o l o g y 鹤an e wt y p eo f b a 出i 曲t 山e a d y 0 c c i l p i e sas p a c ci nt 1 1 ed i s p l a y 丘e l d l e d b a s e db a 倒g h tc o n t r 试t e c h n o l o 鼢b u ta l s 0 i n c r e 弱i n 百yb e c o m i 唱t h es u b j e c to fn e wd e v e l o p m e n t a th o m e ，l e da p p l i e st 0 l a 玛e - s i z el ( db a d d i 曲td e s i 铲，s i n c e2 0 0 6 ，u p g r a d e d t 08 6 3c 0 姐时f o c l l s0 nt 1 1 e d e v e l o p m e n to ft h es u b j e c t n ep a 】p e r 觚t 嘶e n yi n t r o d u c e d 也ep r i n c i p l eo fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，f p g a a p p l i c a t i o n 龃dd e v e l o p m e 鸸弱w e u 弱t h eu db a c k l i g h td e s i 萨m e t h o d ，锄dt h e n r e f e l l l 姐c et ol e db a c h i g h tc o n t r o lo fd o m e s t i ca n df o r e i g nt e c h n i c a ll i t e r a t l l r e ，t h e 觚so f 也ew o r k0 f t h i sp a p e 卜w 1 1 i t el e db 糊i 班l c d1 va r e ad y n a 血cc o n t r o l a 1 9 0 r i t h m 趾a l y z e d 粗dd i s c i l s s e d 删sp a p e rf o c i l s e s0 nb e i n ga ni m p a c t0 fa r e ad ) ，n 砌cc o n 昀ll e db a c k l i g h t o v e rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a yp e 渤n 1 1 锄c e ，t h el e db a d d i 曲th 删w a r cd e s 咖o fl c d i so i l l yas i i n p l ei n t r o d u c t i o n n ep a p e rp r 0 】p o s e da l g o r i t h mo fl e da r e ad y n 锄i c n t r o lh a s 班a t l ye n l l a i l c e d 也e0 0 n t r a s t0 fl c d ，c c f lb a i 斌i g h to r i g i i l a lp r o b l e m s o fk d k a l 【yo r d m a r ) rl o w g r a y s c a l eh a sb e e ns i 班丘c 孤n yi m p r 0 v e d 1 1 1 ea l g o r i t h m h 弱b e e ne a e c t i v ef o rs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n ，a f ；【e rap r e l i m i n a 巧 m e a s u r e m e n t ，t h i sa 1 9 0 r i t h ms a v e se n e 玛ym o r et h 跹3 0 o na v e r a g e a d d i n gt h e 锄b i e n tl i 曲tf a c t o rt om ed e a lo f b a c l 【l i g l l t ，t h ea l g o r i t h mc 觚舀v eal o n ga n d c o m f o r t a b l ev i e w i n ge x p e r i e n c e ，a n dc a l ls a v ee n e r g ye 伍c i e n t l y t h i sp a p e ri n 纽) d u c e s t h ef h n c t i o n so fe a ( mm o d u l ei nt h ea l g o r i t h m ，柚dt h es p 砌ci m p l e m e n t a t i o no ft h e a l g o r i t h m t h er e s u l t s 0 ft h j sp 印e r h a sb e e ns u c c e s s f u u ya p p l i e dt 0t h e 丘r s tb a t i 出0 f d o m e s t i c i i s t e d4 2 i n c hu l t r a t h i nl e db a 瑚i g 越t vt 0a c h i e v ea9 0 0 dc o s t - e f f e c t i v e ， h a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e ( ；t s k e vw o f d s ：l e db a c kl ig h t 。 a r e ad y n a micc o n t r oi ， c o n t r a s t ，e n e r g y s a v in g 。 f p g a i l 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 ( 逵! 翅逡直基丝置要犍别虚明数：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： 签字日期哆年月 导师签字： 签字日期：矽呵年0 6 月。牛日 殷降l 阳 液晶电视分区动态控制l 丘d 背光源的研究与实现 1 前言 1 1 课题背景情况 自2 0 0 5 年，随着三星电子、l g 等韩国厂商及台湾厂商纷纷扩大液晶电视面 板产量。液晶电视在市场中的比重日益增长。液晶电视以电流改变分子排列状态， 给液晶分子施加不同的电压就能控制光线的通过量，从而显示多种多样的图像。 然而，液晶分子自身并不发光，需要背光源。冷阴极灯管( c c f l ，c 0 l dc a t h o d e n u o r e s c e n t ) 以其轻巧、薄型、平面发光、高辉度、发光均匀等优势，成为液晶 电视的主要背光源。 但是，c c f l 其现有的缺点也非常明显，低色域( 6 5 7 5 n r s c 【1 】) 、含有汞、 发光效率低等特点( 当然，随着c c f l 工艺的发展，缺点也有所改善) 。而l e d ( 1 i 曲te m i h i n gd i o d e ) 以其色域高( 1 0 0 n r s c 左右【1 】) 、发光效率高、响应时间 快、环保等特点，在液晶电视背光领域产生了重要的影响。以【e d 为背光源的 液晶电视也逐步走进人们的视线，并逐步产业化。u d 作为液晶电视的新型背 光源，其发展前景日益看好【2 】。 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u d 背光 的2 3 英寸【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u d 在显示质量方面的优势得到了充分体 现。 s d 2 0 0 5 ( 2 0 0 5 年5 月显示信息学会) 会议上，三星电子、l g 飞利浦等都 展出了u d 背光平面显示器。其中，l g 飞利浦首次提出将c c f l 与l e d 混用 的背光方案，不仅解决了背光功耗问题，同时增加了对比度。 日本索尼在“2 0 0 6 年国际消费者电子产品展( i n t e m 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 以m 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l e d 而非传统c c f l 。 2 0 0 7 年索尼展示了采用l e d 背光技术的7 0 英寸b 凡气：嗽液晶电视，三星 随后向全球市场推出了7 0 英寸的u d 液晶电视。 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 在国内，2 0 0 8 年7 月海信自主研发的4 2 英寸超薄l e d 液晶电视 t i j 订4 m 8 g p 批量上市，成为全球第三家实现u d 背光电视上市的公司。 2 0 0 9 年m t e m a t i o n a lc 雹s 上，超薄成为液晶电视的潮流。三星展出了厚度仅 为6 5 衄的全球最薄液晶电视；日立展示了全新升级版u t 系列超薄液晶 电视；l g 也展示u 9 5 超薄液晶电视。这些超薄液晶电视都是采用u d 背光技 术。这似乎预示着超薄成为液晶电视的主流，而u d 液晶电视也将成为液晶电 视的主流。 1 2 国内外的技术现状与发展趋势 以l e d 为背光的液晶电视自2 0 0 4 年s o n y 推出第一款发展至今，随着l e d 器件技术、性能的不断提高，国内外针对电视应用的u d 背光技术研发也全面 开展起来，并不断走向深入。 u d 为低电压工作器件，低电压启动；工作电流易控制，可操作性好；固 态发光源，防震性好，寿命长；色域宽，在1 0 0 n r s c 左右；不含有汞蒸气等 有害气体；响应速度快，其响应速度远远高于液晶分子的响应速度。因此，l e d 作为背光源是理想的器件。随着l e d 工艺的提高，l e d 的光效会进一步提高， 散热效果将有所改善。 各种l e d 背光技术可以不同的分类方式进行分类。如以排列、驱动为划分 条件，u d 背光技术大体可分为三类：全局排列方式、行排列方式、区域排列 方式；若以采用l e d 芯片的种类来划分，又可分为单色( 含蓝光芯片+ 黄荧光粉、 蓝光芯片+ 红绿双色荧光粉) 、双色和三色等几种：若考虑液晶面板的因素，采用 无滤光片液晶面板，可进行时间片的色彩叠加调光方式；等等。 另外在l e d 背光的动态控制技术方面，同样的硬件架构，可能其调光机理 完全不同，其完成的效果也不尽相同，其完成的功能也可能不同。若仅仅从l e d 背光技术方面考虑，l e d 背光技术可完成的功能大体可分为：提高动态对比度、 减小液晶显示的拖尾现象、节能、改善画质等。所以一个l e d 背光液晶电视系 统的设计应该将l e d 背光技术所能完成的功能与所需的硬件架构( 指l e d 背光 排列驱动) 统筹考虑，u d 背光的排列、分区个数、分区阵列对l e d 背光液晶 电视所能达到的显示效果以及节能等性能指标影响很大1 3 1 。 2 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 就u d 液晶电视发展趋势而言，u d 的技术革新是推动其发展的一个方面， 色域更高、光效更好、散热更快的l e d 的研发是大势所趋。 l e d 液晶电视发展的关键是l e d 背光控制技术的发展。l e d 背光的功能日 益明朗，克服或改善液晶显示固有的问题：暗灰阶的漏光问题、液晶显示拖尾现 象( 这两点是c c f l 难以做到的) ，以及其他方面改善：改善画质，提高色域、 节能环保等。在各种l e d 背光控制算法中，分区动态控制算法是不二选择、大 势所趋。因为在硬件支持的情况下，分区动态控制算法可很好的解决上述液晶显 示的两大缺点漏光和拖尾。 u d 液晶电视也有向超薄液晶电视、健康舒适液晶电视方向发展的趋势。 超薄液晶电视在2 0 0 9 年c e s 上可见一斑；而健康舒适电视通常是根据周围环境 光调节背光，其在一定程度上可避免或改善由于长时间观看电视而引起的眼睛疲 劳现剔4 】。 1 3 本文的研究内容及相应结构 本文研究的内容包括： ( 1 ) 系统的整体方案是参考国内外大量的关于液晶电视u d 背光源系统设 计的基础上，结合工程实践白光l e d 液晶电视系统的软硬件设计，不断改进完 善的。 ( 2 ) 对液晶显示原理进行了简单的分析研究，同时对f p g a 的通用硬件架 构、开发语言、流程、平台及未来发展方向进行了介绍。 ( 3 ) 对u d 的各种特征进行了简单的研究，并对液晶电视u d 背光源的 硬件设计进行了分析研究。 ( 4 ) 对l e d 背光技术的各种控制算法进行分类总结研究，比较其中的功能 差异及优缺点。 针对于上述的研究内容提出本文的结构如下： 第一章为引言，介绍本课题的研究背景情况，l e d 背光技术现状及发展趋 势和本文的研究工作。 第二章介绍了两个方面的基础知识，f p g a 的应用与发展情况和液晶显示原 理。 3 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 第三章阐述了u d 技术现状及各种u ! d 的应用特征，同时对液晶电视u d 背光源的硬件设计进行了描述说明。 第四章阐述了u m 背光控制算法，一种基于白光l e d 分区结构、采用f p g a 进行背光数据的统计、背光的控制，同时进行相应的亮度补偿的自适应背光算法。 第五章对本文的工作进行总结同时对此种技术进行了展望。 4 液晶电视分区动态控制u d 背光源的研究与实现 2f p g a 设计简介和液晶显示原理描述 2 1f p g a 设计简介 f p 蝴p l d 、d s p 和c p u 被称为未来数字电路系统的3 块基石，也是目前 硬件设计研究的热点。与传统电路设计方法相比，f p g a c p u ) 具有功能强大， 开发过程投资小、周期短，可反复编程修改，保密性能好，开发工具智能化等特 点，特别是随着电子工艺的不断改进，低成本f p 觥p l d 器件推陈出新，这一 切促使f 1 p g c p l d 成为当今硬件设计的首选方式之一【5 1 。 2 1 1f p g a 的基本结构 f p g a 由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、 嵌入式块融心i 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等【5 】o 每个单元简介如下： ( 1 ) 可编程输入输出单元( i o 单元) 目前大多数f p g a 的i o 单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置， 可适应不同的电器标准与i o 物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻； 可以调整输出驱动电流的大小等。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 f p g a 的基本可编程逻辑单元是由查找表( l u t ，k i o ku p1 a b l e ) 和寄存器 ( r e 西s t e r ) 组成的，查找表完成纯组合逻辑功能。f p g a 内部寄存器可配置为 带同步异步复位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。f p g a 一 般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的 配置是一个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一 定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。 学习底层配置单元的l u t 和r e 西s t e r 比率的一个重要意义在于器件选型和 规模估算。由于f p g a 内部除了基本可编程逻辑单元外，还有嵌入式的黜气m 、 p l l 或d l l ，专用的h 砌口c o r e 等，这些模块也能等效出一定规模的系统门， 所以简单科学的方法是用器件的r e 西s t e r 或u j l r 的数量衡量。 5 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 ( 3 ) 嵌入式块i 乙蝴 目前大多数f p g a 都有内嵌的块洲。嵌入式块洲可以配置为单端口 洲、双端口洲、伪双端口i 乙蝴、洲、阿o 等存储结构。渊，即为 内容地址存储器。写入c a m 的数据会和其内部存储的每一个数据进行比较，并 返回与端口数据相同的所有内部数据的地址。简单的说，洲是一种写地址， 读数据的存储单元；洲与& 蝴恰恰相反。 除了块i 渔m ，1 i n 】【和l a n i c e 的f p g a 还可以灵活地将u j t 配置成删、 r o m 、h f o 等存储结构【6 】。 ( 4 ) 丰富的布线资源 布线资源连通f p g a 内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上 的驱动能力和传输速度。布线资源的划分为：全局性的专用布线资源( 以完成器 件内部的全局时钟和全局复位置位的布线) 、长线资源( 用以完成器件b a n l 【间 的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线) 、短线资源( 用来完成基本逻 辑单元间的逻辑互连与布线) 和其他控制线( 在逻辑单元内部还有着各种布线资 源和专用时钟、复位等控制信号线) 。 由于在设计过程中，往往由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓扑结构 和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，所以常常忽略布线资 源。其实布线资源的优化与使用和实现结果有直接关系。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元( 根据芯片上嵌有的资源决定) ( 6 ) 内嵌专用硬核 此处的硬核主要是那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 器件都包含硬核。 2 1 2f p g a 的设计流程及常用开发工具 f p g a 的设计开发流程主要包括五个步骤：设计输入( d e s i 盟e n 时) 、仿真 ( s i m u l a t i o n ) 、综合( s y n t h e s i s ) 、布局布线( p l a c e & r o u t e ) 和配置下载 ( c o n f i g i l r a t i 衄d 佣，m o a d ) 等步骤，设计流程图如图2 - 1 。 6 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 图2 1f p g a 设计流程图 下面分别介绍各个设计步骤： ( 1 ) 设计输入 常用的设计输入方法有硬件描述语言( 加) l ) 和原理图设计输入等方法。 ) l 设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式，除压e e 标准中 v 】d l 与v e r i l o gh d l 两种形式外，尚有各自f p g a 厂家推出的专用语言，如 q u a n l l s 下的舢l 。h d l 语言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强， 使其描述的电路能特定综合器( 如s ) r n o p s y s 公司的f p ( 认c o m p i l e r 或f p g a e x p f e s s ) 作用下以具体硬件单元较好地实现；原理图输入法在早期应用比较广 泛，在顶层设计、数据通路逻辑、手工最优化电路等方面具有图形化强、单元节 俭、功能明确等特点。典型图形化输入工具是m e n t o r 的r e n o i r 。 ( 2 ) 综合优化 综合优化是指将皿l 语言、原理图等设计输入翻译成由与、或、非门、m 蜥、 触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接( 网表) ，并根据目标与要求( 约束条件) 优化所生成的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文件，供f p g a 厂家 7 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 的布局布线器实现。目前常用的综合优化工具有s ) r n o p s y s 公司的f p g ac o m p i l e r 、m e n t o r 公司的e x a m p l a r 和s y 印l i f y 公司的s y 印l i d t y 。其中f p g ac o m p i l e r 是应用最广的，只支持f p g a 的综合。e x 锄p l a r 同时支持f p g a 和a s i c 。 s y n p h c i t y 界面简洁，综合速度比其他二者更快。 ( 3 ) 仿真 仿真包括功能仿真和时序仿真。其中，功能仿真在布局布线之前；时序仿真 在布局布线之后。仿真工具有m e n t o r 公司的m o d e l s i m 和d e c 公司的 a c t i v e 如) l ，二者同时支持缸儿和v e r i l o g 的仿真，c a d e n c e 公司的n c - v e r i l o g 和n c - v 1 l 。m o d e l s i m 同时提供p c 和工作站版本，a c t i v e 即) l 只有p c 版本。 其中m o d e l s i m 是工业界应用最广的仿真工具，已经成为事实上的标准，其界面 简洁，仿真速度快，功能强大而稳定。m i v e 加) l 提供图示化仿真激励输入， 而且有t e s t b e n c h 的自动生成模板，这些特性都是独有的，而且语言的在线帮助 系统非常好。 ( 4 ) 设计实现( 布局布线) 设计实现主要是指布局布线和报表生成、位流生成等方面。综合后的结果与 芯片实际配置情况还有比较大的差距，此时使用f p g a 厂家提供的软件工具，根 据芯片型号，将综合后的网表适配到具体f p g a 上，这个过程叫实现过程。实现 过程中最主要的过程是布局布线( 副岷，p l a c ea n dr o u t e ) 。所谓布局是指将逻辑 网表中的硬件原语或底层单元合理适配到f p g a 内部的固有硬件结构上，布局的 优劣对设计的最终结果( 在速度和面积方面) 影响很大；所谓布线是指根据布局 的拓扑结构，利用f p g a 内部的各种连线资源，合理正确连接各个元件的过程。 由于f p g a 结构复杂，一般采用时序驱动的引擎布局布线。 由于p l i ) 市场目前只剩下越t e r a ，) ( i l i n 】【，l a t t i c c ，a c t e l ，q u i c k l o 百c ，a l m e l 六家公司，其中前5 家为专业p l d 公司，并且前3 家几乎占有了9 0 的市场份 额，而我们一般使用砧t e r a ，舭公司的p l d 居多，所以典型布局和布线的工 具为础t e m 公司的q u a i t u s 和m 孤p l u s 、) 【i l i n 】【公司的i s e 和f 0 u d a t i o n 。而 m a x p l u s 和f o u d a t i o n 分别为砧t e m 公司和) 【i l i n 】【公司的第一代产品的开发平 台，所以布局布线一般使用q u a n u s 和i s e 。 ( 5 ) 配置下载 8 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将综合后形成的位流下载到具 体的f p g a 芯片中，也l l 芯片配置。f p g a 设计有两种配置形式：直接由计算机 经过专用下载电缆进行配置；由外围配置芯片进行上电时自动配置。因f p g a 具 有掉电信息丢失的性质，因此可在验证初期使用电缆直接下载位流。使用电缆下 载时有多种直载方式，如对x i l i n x 公司的f p g a 下载可以使用j t a gp r o 伊锄e r 、 h 抓1 w a r ep r 0 孕锄e r 、p r o mn o g r a i n m e r 三种方式，而对砧t e m 公司的f p g a 可以选择仃 a g 方式或p a s s i v es e r i a l 方式。因f p g a 大多支持m e e 的j 1 a g 标 准，所以使用芯片上的j 1 ：a g 口是常用下载方式。 将位流文件下载到f p g a 器件内部后进行实际器件的物理测试即为电路验 证，当得到正确的验证结果后就证明了设计的正确性。电路验证对f p g a 投片生 产具有较大意义。 2 1 3f p g a 的发展趋势 f p g a 的规模越来越大，成本越来越低，同时伴随这开发f p g a 的设计方法、 工具、语言等软件设施也不断更新换代。f p g a 的发展主要演变成硬件与相应的 软件的发展。 ( 1 ) f p g a 硬件的发展趋势可总结为先进工艺、处理器内核、硬核与结构 化a s i c 、低成本器件。 先进工艺：2 0 0 7 年脚t e r a 推出了6 5 n m 工艺的s t i 匝i 】【系列芯片，其容 量为6 7 2 0 0 个l e ( l d 百ce l e m e i l t ，逻辑单元) ，) 【i l i n x 推出的6 5 衄工艺的t e x 系列芯片，其容量为3 3 7 9 2 个s l i c e s ( 一个s l i c e s 约等于2 个le ) 。采用深亚 微米( d s m ) 的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于 便携式应用产品的发展，对f p g a 的低电压、低功耗的要日益迫切。因此，无论 那个厂家、哪种类型的产品，都在瞄准这个方向而努力。 处理器内核：f p g a 内部嵌入c p u 或d s p 等处理器，使f p g a 在一定程 度上具备了实现软硬件联合系统的能力，f p g a 正逐步成为s o c ( s y s t 锄o n c h i p ) 的高效设计平台。 硬核与结构化a s i c ：功能丰富的h 川球c o r e ( 硬知识产权核) 一般完成 高速、复杂的设计标准。f p g a 内嵌h 砌口c o 大大扩展了f p g a 的应用范围， 9 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 降低了设计者的技术难度，缩短了开发周期。结构化a s i c 相对于f p g a 的形式 主要有两种，一是如舢t e m 的h a r d c 0 p y l 7 】和) ( i l i n 】【的e 凇y p a t h 的设计方法。 低成本器件：低成本是f p g a 发展的另一个主要趋势。随着低成本器件的 不断退陈出新，f p g a 将渗透到数字电路的各个领域，特别是消费电子、汽车电 路、有线电视等领域。 ( 2 ) f p g a 设计方法比较显著的特点有：高级设计语言、系统级仿真和系 统级综合优化方法、模块化设计和增量设计方法。 高级设计语言：业界最流行的m ) l 语言是v e r i l o g 和d l ，在此基础上 又发展出了抽象程度更高的硬件描述语言，如s y s t e mv e r i l o g 、s u p e d o g 、s y s t e m c 、 c o w a r ec ，这些高级印) l 语言的语法结构更加丰富，更适合做系统级、功能级 等高层次的设计描述和仿真。 系统级仿真和系统级综合优化方法：系统级综合工具的抽象层次比行为级 综合工具还要高，它要求综合工具直接从系统级结构代码抽象出系统级模型，从 更高层次上优化时序和面积，然后再根据系统级库将优化后的结构适配到f p g a 的底层模块中。 模块化设计和增量设计方法：模块化设计方法其核心是将大规模复杂系统 按照一定规则划分成若干模块，然后对每个模块进行设计输入、综合，并将实现 结果约束在预先设置好的区域内，最后将所有模块的实现结果有机地组织起来， 就能完成整个系统的设计。增量式设计是一种能在小范围改动情况下节约综合、 实现时间并继承以往设计成果的设计手段。 2 2 液晶显示原理简述 一般可将物质分为三态：固态、液态和气态。若根据液态质心的排列( 分子 的指向) 有无规律可对液态从新细划分很多形态。分子没有方向性规律的液体可 直接称为液体，而分子具有方向性的液体称之为“液态晶体”，简称“液晶( 1 i q u i d c r y s t a l ) 。液晶于1 8 8 8 年由奥地利植物学家e r e i n i t z e r 发现【8 】，其介于固体与液 体之间，是具有规律性分子排列的有机化合物。 1 0 墟a 电视丹e 动态控制l e d 背光耀的研究与实现 2 2 1 液晶的分类” ( 1 ) 热致液晶 热致液晶是当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体。 用于显示的都是可工作于室温的热致液晶。液晶分子多为长度为几十埃，宽度为 几埃的细长形状。热致液晶因分子排列有序状态不同，又分为向列液晶 ( n 锄t k ) ，又称线状液晶；近晶液晶( 锄e 血) ，又称层状液晶；胆固醇液晶 ( c h o l 龉t e r i c ) ，也称螺旋状液晶。图2 2 是层状液晶、线状液晶、胆固醇液晶分子 有序状态示意图。 l x0 姗0 0 一伸洲 m 潲t 锄溉钝k 搬渤张 ( c ) 胆固醇液晶 图2 2 层状液晶、线状液晶、胆固酵液晶分子排列示意图 层状液晶：其结构是由液晶棒状分子聚集一起，形成一层一层的结构。 其每一层的分子的长轴方向相互平行。且此长轴的方向对于每一层平面是垂直或 有一倾斜角。由于其结构非常近似于晶体，所以叉称作近晶相。其秩序参数 s ( o r d e p a r a m e t e 0 趋近于1 。在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂， 液晶电视分区动态控制u i d 背光源的研究与实现 所以层与层间较易滑动。但是每一层内的分子键结较强，所以不易被打断。因 此就单层来看，其排列不仅有序且黏性较大。如果利用宏观的现象来描述液晶的 物理特性的话，可以把一群区域性液晶分子的平均指向定为指向矢( d 打e c t o r ) ，这 就是这一群区域性的液晶分子平均方向。而以层状液晶来说，由于其液晶分子会 形成层状的结构，因此又可就其指向矢的不同再分类出不同的层状液晶。 线状液晶：此种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列，所有棒状液晶 分子长轴会选择某一特定方向( 也就是指向矢) 作为主轴并相互平行排列。而且 不像层状液晶一样具有分层结构。与层列型液晶比较其排列比较无秩序，也就是 其秩序参数s 较层状型液晶较小。另外其黏度较小，所以较易流动( 它的流动性 主要来自对于分子长轴方向较易自由运动) 。线状液晶就是现在的耵丌液晶显示 器( n 血- 丘1 mt r a n s i s t o rl i q u i dc 巧s t a ld i s p l a y ，t 】可u d ) 常用1 n f 脚i s t e dn e m a t i c ) 型液晶。 胆固醇液晶是因其来源于胆固醇衍生物而得名的。这类液晶分子呈扁平 状，排列成层，层内分子相互平行。分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴 方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。当不同层的分子长轴排列沿 螺旋方向经历3 6 0 。的变化后，又回到初始取向，这个周期的层间距离称为胆固 醇液晶的螺距p 。由于各个层的液晶分子的指向矢的不同，因而就有不同的光学 电学特性的差异。 ( 2 ) 溶致液晶 溶致液晶是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质。大多数溶致液晶 可以看作是疏水性长基链一端结合有亲水性极性基的两性化合物的水溶液，肥皂 水就是溶致液晶。当然，溶致液晶也可以是有机溶液。溶致液晶广泛存在于自然 界、生物体中，与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知觉、信息传递等现象 密切相关。但在显示技术上，溶致液晶尚无应用。 2 2 2 液晶的光电特性 由于液晶分子的结构为异方性o 城s o t r o p i c ) ，所以所引起的光电效应就会因 为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光 电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形 液晶电视分区动态控制u d 背光源的研究与实现 成灰阶，应用于显示器组件上【1 0 1 。 介电系数州e l e c t r i cp e 衄j t t i v i t y ) ：可以将介电系数分开成两个方向的分 量，分别是鲥( 与指向矢平行的分量) 与e j - ( 与指向矢垂直的分量) 。当酬 e 上便 称之为介电系数异方性为正型的液晶，可以用在平行配位。而酬 0 。所以双折射率n o 把它称做是光学正型 的液晶，而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶。倘使光的行进方 向平行于长轴时的速度较快的话，代表平行长轴方向的折射率小于垂直方向的折 射率，所以双折射率n 僻 l i f d s 电平 rn vr 图4 4l 、d s 信号的传输示意图 ( 2 ) l c d 系统中图像数据的u 仍s 传输形式 由于l 、仍s 信号的低功耗抗干扰的特性，在l c d 系统中，图像数据由主板 输出时，一般都要编写成u 旧s 格式的信号。具体的格式【3 2 】，如图年5 所示，一 个时钟内对应7 b i t 的数据( 要在此时钟一个周期内编写或解出7 b i t 的数据) ，一 对差分时钟线一般要对应3 巧对数据差分线，因此，一对差分时钟在一个周期内 最终可编写或解出3 宰7 b i t = 2 1 b i t 或5 宰7 b i t = 3 5 b i t 。 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 图钙l c d 系统中图像数据的u d s 信号格式 ( 3 ) n 仍s 图像数据接收和发送模块的仿真 n s 图像数据接收和发送模块是在q u 嘲s2 中进行v e r i l o gh d l 代码编写、 综合、适配及最终的时序仿真等步骤完成的。由于l 、d s 信号的速度过高，功能 仿真可能与时序仿真差异比较大。因而，本文提供的是比较接近现实应用的 l 、d s 时序仿真图。图4 6 是n d s 图像数据接收和发送模块的时序仿真图( 由 m a n u s2 时序仿真通过，同时在硬件上下载实现了) ，仿真图采用一对差分时钟 解析8 对差分数据线。 1 咄j 1 一c l k 囝h 如r x - i a 国h 如一蛙d k 卜1 诎一t i - d k n 】 ll y i i - 趣- c 】k 【0 】 女曩j 嘲l t 之阳t 1 ，d s 碍- c l k 囝h d s 辟- i n 国h 虹虹m 卜1 吨一t l - c l k 【l 】1 l l 墙一t id k 【o 】 囝h d s t x t x 1 zx “x e 6x s dx “x c ex f 4x 0 0x ) ( 0 0x 9 cx 4 3x x 图4 - 6n ，d s 图像数据接收和发送模块的时序仿真图 4 3 2 并行数据与r g b 数据问转换模块 由l s 图像数据接收和发送模块解出的并行数据要转换为图像数据啪 及同步信号d e ，是需要一定的对应关系的；同样，图像数据i v g 仍及同步信号 3 7 液晶电视分区动态控制u d 背光源的研究与实现 d e 要转换为l 、，d s 图像数据接收和发送模块所能正确识别的并行数据，也应对 应于同样的对应关系，称l v d sd a t am a p p i i l g 刚。一般有两种l v d sd a t am a p p 遍g ， 一种n s 模式，一种j e 田l a 模式，如图4 _ 7 所示( 注：大部分l ( d 是不用v s ，h s 的，n a 代表无连接、任意值的意思) 。n s 图像数据接收和发送模块仅仅是按 图禾7 中的顺序解出并行的数据或重新生成u 仍s 数据，并没有表达出并行数据 对应出啪及数据使能信号d e 。 冀雪描【式 = 型已* 一当前j 嘲_ 二e = = 固堕 赢i i 了 一_ 一 ：! h t c o ，曼酚莲萤遁e 延萝锺亘姬亘重x 亘陋 h t c - ，亘醪熏爹遁至愆蚕堰夏趁匿堕x 圄湛 嘲重型d 3 ( 互连蔓延亘亘亘旺 由，兰酬3 逗茧愆萋题亘矮堕垂x 萤旺 皿d 梗式 型婴嘎一兰种周期受= 致 赢焉= 了 厂丁一1 一d 。矗； l ： 一里勤湮多渲p 锺萤遁雯镬萝锺茧延萝便 重瑟垦鱼萱萸堕堕堕题弛 “t 像，垂醚三三) 三亘亘亘亘x 三 一一垂酥三x 亘x 亘亘涎蔓砸蔓延眍 图禾7l v d sd a t am a p p i n g 的两种模式 并行数据与r 硒仍数据阀转换模块就是将并行数据与r 硒胚及数据使能信 号d e 的上述对应关系( n s 或衄a 模式) 描述为硬件语言( 本文应用v e m o g h d l ) ，包括两个方向的对应，一是从并行数据到刚g 仍及数据使能信号d e ；一 是从r 粥仍及数据使能信号d e 到并行数据。图4 8 是并行数据与r g 偈数据问 转换模块的n s 模式的时序仿真图( 由q u a i t u s2 仿真得到) 。例如：输入数据( d i n ) 5 9 4 1 a 5 5 是十六进制数，其二进制表示为0 1 0 1 1 0 01 0 1 0 0 0 00 1 1 0 1 0 01 0 1 0 1 0 1 ， 这四段二进制数分别对应于n s 模式的d a t a 【3 】- d a t a 【2 】由叫1 l d a t a 【o 】。通过对照， 可知此四段二进制数对应的r 为0 0 0 1 0 1 0 1 、g 为1 1 1 0 1 0 0 1 、b 为1 0 0 0 0 0 0 1 ，对 应的十六进制数r 为1 5 、g 为e 9 、b 为8 1 。同理，将刚g b 数据进行反变换得 到并行数据( d o u t ) x 1 0 1 1 0 0 一1 ) o 0 1 1 0 1 0 01 0 1 0 1 0 1 ( 注：x 代表其为任意 液晶电视分区动态控制l e d 背光源的研究与实现 值，本文在程序中设为0 ，从而，d o u t 为0 1 0 1 1 0 0 一1 0 删0 1 1 0 1 0 吐1 0 1 0 1 0 1 ) ， 其十六进制数为5 9 0 1 a 6 5 。所举的例子正好符合设计要求。 图4 8 是并行数据与刚g 偈数据间转换模块的n s 模式的时序仿真图 4 3 3 系统初始化模块 系统初始化模块主要完成在上电的过程中对各个模块的初始化工作，或强制 复位信号来临将各个模块进行初始化。此模块的意义：在刚上电的过程中，由于 输入l 、巾s 图像数据存在不稳定的情况存在，同时，系统内锁相环在最初锁定 n ，d s 输入时钟时需要一定的时间，这样，最初输入的一两帧n ，d s 图像数据很 难被有效的识别出来，若将此一两帧图像数据送入后续的分区背光值的提取模 块、分区背光值的处理模块、背光驱动控制模块，很有可能会误导这些模块的状 态机，导致状态机进入无法回复的状态，陷入死机状态。此模块的目的就是将上 电过程中的不确定因素屏蔽掉。 4 3 4 分区背光值的提取模块 对于分区背光值的提取问题，在章节4 1 1 中有所介绍，般背光值的选取 大体有如下几种方式：刚g 仍的最大值或平均值或进行直方图统计、i v g 仍转带 有y 的色彩空间( 如y c b c r 、等) 对y 进行最大值或平均值或直方图统计 f 3 3 j 等等。本文的提取分区背光值的算法是将分区内灰阶的最大值与平均值有机 结合起来，进行最大值与平均值加权平均，而后将初步提取的背光值送入下一模 氨t t t j 眦 眦 叽 t 一 一 一 呲k k吣。 k n 掣