（通信与信息系统专业论文）基于cpld的led全彩屏主控系统设计.pdf

中文摘要 十几年来，随着显示器件制造与应用技术的不断发展，大屏幕显示系统得到 了广泛的应用。由于l e d 大屏幕显示系统具有体积小、亮度高、重量轻、结构平 面化、显示位置精度高等特点，在各种大屏幕显示应用中占有相当大的比例，已 成为现代显示科学技术中不可缺少的手段，同时又极大的促进了相关仪器、装备 的发展与更新，所以基于这方面的技术研究越来越受到广泛重视。 本课题主要针对现有l e d 控制系统的不足之处，提出了基于c p l d 的l e d 全 彩屏主控系统方案。该方案充分发挥了该种类嵌入式系统配置灵活、资源丰富的 特点，实现系统中各种控制功能及数据处理功能，使该系统具有更广泛的适用性 及易用性。 根据项目的要求，将整个系统划分为若干功能模块，详细制定了各部分的实 现方案，并综合考虑了系统需求、器件特点、系统成本、方便购买等多方面因素， 选择了最适合的器件，在充分的原理实验基础上，经过反复的调试，达到了项目 要求。研究中所涉及的各个功能模块都经过系统性的仿真、综合，并在电路的实 际应用中得到验证，满足系统设计要求。 关键词：l e d 全彩屏高速a d 反y 校正c p l d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l a r g es o r e c nd i s p l a ys y s t e mi sw i d e l yu s e dw i t ht h ed e v e l o p m e n t o fd i s p l a yd e v i c ea n dt e c h n o l o g y b e c a u s el e dl a r g e $ c 1 - e 圯1 1d i s p l a ys y s t e mh a s c h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lc u b a g e , h i g hb r i g h t n e s s ，l o ww e i g h t , p l a n a ra r c h i t e c t u r e , h i g h p r e c i s i o nd i s p l a yl o c a t i o na n ds oo n , i tt a l 【馏al a r g ep r o p o r t i o no f a p p l i c a t i o no f l a r g e s c n 珊d i s p l a y rh a sb c c 鲫ea ni n t e g r a n tp a r to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n dg r e a t l y s t i m u l a t et h ed e v e l o p m e n to fa p p a r a t u sa n dd e v i c e s ，s ot h er e s e a r c hi nt h i sf i e l d a t t r a c tm u c hm o l ea t t e n t i o n t h er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c ti ss e tu pt oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n g c o n t r o ls y s t e m i n t r o d u c ea n 哪s c h e m e o f c o l o d z e d l e d p l a t p a n e ld i s p l a y b a s e d o r f p c a , i ta l s or e l i e so rt h ea b u n d a n ta n df l e x i b l ec h a r a c t e r i s t i co f e m b e d d e ds y s t e mt o a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fc o r 拄o la n dd a t ap r o c e s s i n g , m a k i n gt h es y s t e mm o r e f l e x i b l ea n de a s yt ou s e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ep r o j e c t , t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t o s e v e r a lp a r t s ，t h ed e t a i ls c h e m eo fe a c hp a r ti si n t r o d u c e di nd e t a i l t h eo p t i m u m c o m p o n e n t sa r eu s e db ye n u s i d e r i n gal o to ff a c t o r ss u c ha st h er e q u i r e m e n t , t h e c h a r a c t e r i s t i c ，c o s t , a n dt h ec o n v e n i e n c eo fp u r c h a s e o nt h eb a s e so fa d e q u a t e e x p e r i m e n ta n dd e b u g g i n g , t h es y s t e ma c h i e v et h er e q u i r e m e n t e v e r ym o d u l e f u n c t i o nt h a tt h er e s e a r c hi n v o l v e dh a sc a r r i e d0 1 1s y s t e m i ce m u l a t i o na n ds y n t h e s i s ， t h e ya r ep r o v e dt ob ec o r r e c t k e yw o r d s ：c o l o d z e dl e ds c r e e n , h i g hs p e e da d ，r e v e r s e - y - r e v i s o , c p l d 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：灰1 1 移 签字日期： 年月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：云1 参 签字日期：3 彳年工月叼日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 i 1 研究背景 第一章绪论 随着电子显示技术和制造工艺的进步，l e d 大屏幕显示技术得到了前所未有 的发展，在短短的2 0 几年里就完成了从原来的单色屏、双色屏到如今的全彩色 显示屏的转变。目前，l e d 彩色显示屏已经广泛应用于体育场馆、演艺中心、证 券交易所等等公共场所。然而，我国在l e d 显示屏控制系统领域的设计能力还不 是很强，很多控制系统还是依靠国外进口。另外，国内某些设计厂家的产品虽然 可以完成控制功能，但是并不具备普遍的适用性。所以，当务之急还是要设计出 适合自己公司产品的控制系统，这样可以根据用户的需要方便地做出相应的调 整。本课题就是在这样一个背景下产生的。 i 。2 研究目的及方法 项目由天津大学和天津星球光电科技有限公司合作，目的是开发拥有自主知 识产权的l e d 全彩屏控制系统。其主要优势在于： ( 1 ) 将图像处理、反v 校正、数据整合等功能原来由数据接收板实现变成 由数据采集和主控板实现，这样可以便于完成图像的平移、反y 校正曲线的实时 选择等功能； ( 2 ) 将大屏幕的显示控制范围重新划分，使控制系统更具灵活性； ( 3 ) 使用成本更加低廉但性能更强的m a xi i 系列c p l d 作为主控平台、l v d s 解决方案实现数据传输系统，有效降低了产品的成本。 本论文主要完成项目中的高速数据采集以及数据存储、发送部分的设计与实 现，主要任务如下： ( 1 ) 参加并完成l e d 全彩屏控制系统方案设计； ( 2 ) 掌握视频信号的基础理论知识，掌握高速a d 转换芯片a d 9 8 8 7 和 a d 9 2 1 4 ，以及放大器a d 8 1 3 8 等新型芯片的应用方法； ( 3 ) 掌握f p g a 、c p l d 的设计流程、方法，熟练应用相关e d a 软件进行系统 的设计、仿真、综合等，熟悉a l t e r a 公司可编程逻辑器件的特点，使用v h d l 语言进行主控系统的开发； ( 4 ) 完成高速a d 转换及数据“发送”部分的硬件电路设计与调试，对l e d 天津大学硕士学位论文第一章绪论 彩色显示屏进行整体调试。 i 3 论文的基本结构 本论文分为五个部分： 第一章是绪论，主要介绍了课题的意义、来源和任务以及l e d 显示屏的基本 原理和发展状况。 第二章介绍了基于c p l d 的l e d 全彩屏控制系统的整体功能和系统结构。 第三章介绍了系统的数据采集部分( 高速a d 转换) 、乒乓存储、反y 校正、 数据整合及发送部分的硬件设计方案，器件选择。 第四章介绍了系统中涉及到的相关软件的设计方法，以及系统的数据采集部 分( 高速a d 转换) 、乒乓存储、反y 校正、数据整合及发送部分的设计方案。 第五章是结束语，对该课题作了系统的总结，并提出进一步研究发展的方向。 限于本人水平有限，论文中的错误和不足之处，望各位老师批评指正。 i 4l e d 显示技术的发展和基本原理 在2 0 世纪，图像显示器件中，阴极射线管( c r t ) 占了绝对统治地位，如电 视机、显示器等绝大多数都采用c r t 。但是与此同时，平板显示器也在飞速地发 展着，特别是液晶显示器不但在中小屏幕显示中代替了c r t ，而且也快速地进入 了计算机显示领域。同时，l e d 显示屏也逐渐在图像显示领域发挥了其自身的技 术特点，应用于各类大型的公共场所，如体育场馆、演艺中心和企事业单位。应 该说l e d 显示技术的发展带来了平板显示技术的又一个革命。 i 4 il e d 显示技术的发展历史 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种电一光转换型器件，采用 p n 结结构。当p - n 结上加正向电压，产生少子注入，少子在传输过程中不断扩 散，不断复合而发光。改变所采用的半导体材料，就能得到不同波长的发光颜色。 l o s e r 于1 9 2 3 年发现了s i c 中偶然形成的p - n 结的发光现象。i i i - v 族半导体单 晶生产技术、半导体制作技术的发展，为l e d 制作奠定了基础，l e d 作为一种电 子器件于2 0 世纪7 0 年代进入批量化、商品化。以发光效率为标志的l e d 发展历 程见图卜l 。【棚 早期开发的为普通型l e d ，是中，低亮度的红、橙、黄、绿l e d ，在低容量、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 低密度显示中有广泛的应用，如各种指示灯、各种家用电器和公共场所的平面显 示器。随着高亮度与蓝光l e d 的研究开发成功，l e d 显示屏从单色、多色走向全 彩色，从室内显示走向室外超大屏幕彩色显示。而且l e d 显示在高亮度与超大屏 幕显示领域是其他显示无可匹敌的。 历届奥运会主会场和主要比赛场地都有极其精美的大屏幕显示屏，如同一个 巨型的彩色电视机，用于转播赛场的精彩镜头。过去这种屏由荧光泛束像素管( 一 种高效率放电管) 组成，由于显示屏的制造技术复杂，工艺要求高，价格昂贵。 l e d 全彩色屏的出现打破了荧光泛束像素管一统天下，开辟了用l e d 制造全彩色 屏的新路子。2 0 0 0 年悉尼奥运会就使用了l e d 全彩色屏，将在我国举行的2 0 0 8 年北京奥运会各场馆也将采用l e d 全彩色屏。 图卜1 发光效率为标志的l e d 发展史蚴 i 4 2l e d 显示技术的基本原理 i 4 2 1 信息刷新原理 从实现刷新的原理上看，可分为扫描型和锁存型两种 ( 1 ) 扫描型 扫描型指显示屏上1 6 行、8 行或4 行l e d 共用一个驱动寄存器，常称为1 6 循环、8 循环或4 循环。在这种系统中，整屏信息的刷新是靠驱动寄存器时分工 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 作实现的。只要每行刷新频率在5 0 h z 以上，人眼就不会感到闪烁。由于驱动寄 存器的时分工作，使得每一个l e d 的亮度占空比减小，从而导致l e d 亮度降低( 见 图1 - 2a ) 。为了提高显示屏亮度往往使l e d 在超额电流状态下工作。扫描型驱 动电路设计比较简单、成本低，多用于室内显示屏。 ( 2 ) 锁存型 锁存型指显示屏上每一个l e d 都对应于一个驱动寄存器，即驱动器无需时分 工作，每一个l e d 的亮度占空比均为1 0 0 ，见图1 - 2b 。这样避免了l e d 在超额 电流状态下工作。如果用常规驱动i c 设计，则复杂且成本高。现在有了超大规 模l e d 功能驱动i c 后，成本已大幅度降低。一般室外屏大多为锁存型。 薷滑几 歙释 广 i 时珩 几n 筠哆几几 第| 行 ii 黼ll 孙l 杼il 羹斫 ii 撕杓播蜒 傩) 壤存囊 图1 - 2 扫描型与锁存型驱动脉冲比较 1 4 2 2 灰度扫描的实现 在高速动态显示时，l e d 的发光亮度与扫描周期内的发光时间成正比，所以 灰度等级的实现由控制l e d 的发光时间与扫描周期的比值，即采用调制占空比的 办法来实现。若每帧周期为t ，设采用8 行扫描方式，每行总选通时间为t 8 ， 将每周期内l e d 的总发光时间依次调节为o 、1 x t ( 8 x 1 6 ) 、2 x t ( 8 x 1 6 ) 、 1 5 t ( 8 x1 6 ) ，这样就将l e d 的发光时间分为1 6 个等级，即实现了1 6 级灰度。 灰度扫描的关键在于产生由“1 ”和“0 ”组成的串行数据流。从视频控制模块传 来的数据为并行数字数据，它包括图像分离的红、绿、蓝三基色数据。这些数据 不能直接用于l e d 的扫描显示，必须经过时序译码转换，才能变为含有灰度信息 的由“1 ”和“0 ”组成的编码序列，以供扫描显示用。例如，输入的并行图像数 据为r 、g 、b 各5 b i t ，这样每种颜色可以实现3 2 级灰度( 2 5 = 3 2 ) ，但一般取高 四位实现1 6 级灰度，灰度调制系数与编码值举例如下： 灰度等级占空比编码值编码序列 1 1 1 2 8 0 0 0 11 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 2 1 2 8 0 0 1 01 1 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 3 3 1 2 8 0 0 1 11 1 1 00 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 66 1 2 80 1 1 01 1 1 11 1 0 00 0 0 00 0 0 0 1 5 1 5 1 2 8 1 1 1 11 1 1 1 1 1 l l 1 1 1 11 1 1 0 由上例可知，在这个总长度为t ( 8 x1 6 ) ，且分为1 6 个时间单元的编码序 列中，有i 个“i ”和i - 1 个“0 ”，l e d 的实际发光时间为： t ( i ) = t i ( 8 x 1 6 ) 即第i 级灰度对应的l e d 导通脉冲的占空比为 t ( i ) = t i ( 8 1 6 ) 1 4 2 3 彩色显示屏的y 校正 ( 1 ) 彩色校正 日本产的l e d 其红光为6 4 0 h m ，绿光为5 2 5 n m ，蓝光为4 6 5 n m 。 表i - il e d 与c r t 三基色比较 rgb l e dx = o 7 0y = o 3 0x = o 1 8 y = o 6 9x = o 1 3y = o 0 7 c r tx = o 6 7y = o 3 3x = o 2 1y = o 7 1 x = o 1 4y = o 0 8 将它们画在色坐标图上可知两者的三角形几乎重合( 图卜3 ) ，可知l e d 显 示屏显示的色彩丰富程度与彩色c r t 几乎一致。彻 图1 - 3l e d 与c r t 的色坐标图 一5 一 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) y 校正 在广播电视设备发展的起步阶段，采用的主要显示器就是现在广泛使用的电 视机，其中采用的发光器件就是阴极射线管( c 盯) ，它的光输出特性与输入控制 电压成非线性关系，即b = ey 。为了保证显像管能够正常的还原视频信号，在信 号源的发生设备上对信号进行了非线性预校正，也就是说，目前，几乎所有视频 信号源( 广播电视信号、d v d 、v c d 、摄像机等视频信号) 都经过了非线性的预矫 正处理，即1 ￥校正。l e d 显示屏属于大型平板显示设备，发光二极管的亮度 与驱动信号成线性关系。所以，l e d 显示屏在播放视频信号时，必须对输入的视 频信号进行非线性y 反矫正，才能够显示正常的图像信号；然而，如果不对输 入的视频源信号做非线性校正处理，大屏显示的视频图像在层次和色彩上都会严 重失真，直接影响显示效果。 在全彩l e d 显示屏系统设计中，采用了目前较科学的y 校正处理技术，对 数字( 或模拟) 三基色视频信号分别进行y 校正，既完成了y 校正，同时又不 损失灰度层次，使全彩色显示屏图像更鲜艳、更逼真，更清晰。同时为使l e d 显示屏达到更好的显示效果，在显示屏数据显示之前进行二次非线性校正，通过 f p g a 、c p l d 等超大规模集成电路，采用独特的算法进行硬件处理，其校正数据 存储在f a l s h 存储器中。这种校正方法加快了数据处理速度，使图像的刷新频率 更高，避免了图像的闪烁，比软件校正具有较大的优势。尤其在低灰度方面更能 体现较好的显示效果( 见图1 - 4 ) 。 图1 - 4y 校正效果图 ( 3 ) 显示屏均匀性的改造f l 田 l e d 显示屏的广泛应用与高速发展也对l e d 显示屏的控制系统提出了更高 的要求，尤其是用图像处理的方法解决发光二极管本身的工艺缺陷。显示屏均匀 性的改造可以解决像素点之间由于l e d 本身的物理因素产生的光强差异，使显示 屏的整体视觉效果大幅度提高。但是由于时间有限，在本次项目中并没有涉及这 方面的内容，在此只做简单介绍： 天津大学硕士学位论文第一章绪论 产生原因 l e d 在制造过程中由于材料厚度、组成成分和掺杂均匀性等方面的差异；由 于退火和蒸发材料时不均匀性等工艺原因；由于封装时芯片与碗之间相对位置的 差异等诸因素都会严重影响l e d 的法向光强i v 、正向压降v f 和波长 等参数。 因此同一批l e d 产品光强最大值与最小值之比r l 可达三倍以上。经过分档，如 日本日亚公司的同一批l e d ，r l 最小也有1 4 ，使组成的l e d 显示屏亮度不均匀。 解决方法 亮度不均匀性指像素间光强不匀和模块间的亮度不匀，为了解决这两种亮度 不均匀性，在分档、规范组装工艺、均衡l e d 中电流等方面均下了不少功夫。但 都不能从根本上解决问题。光强均衡处理是一个比较好的办法。从图像处理角度 看，可以把像素间光强不均看成是一种非随机变化的静态噪声，可以利用图像处 理中的图像平滑技术来进行像素间光强均衡。将采集到的各像素的亮度分布，按 某种平滑技术处理后形成一个灰度校正矩阵，要显示的数字图像信号用此矩阵处 理后再去驱动大屏幕l e d 显示屏。 三种平滑技术 a 最小归元法 假设有一块m n 的l e d 显示屏，通过光强自动检测系统，得到像素光强矩 阵f ( i ，j ) ，i = l ，2 ，m 3 = 1 ，2 ，n ，并假定f m a x = 1 6 0 m c d ，f m i n = 8 0 m c d ， 平均值a = i1 6 m c d 。 最小归元法是简单地令全屏像素都等于最小亮度值，即f ( i ，j ) = f m i n = 8 0 m c d ，此法优点是亮度均衡度好，缺点是亮度损失大。平均光强从1 1 6 m c d 下降到8 0 m c d ，即下降了3 1 。 b 邻域平滑法 人眼对相邻像素亮度不均衡很敏感，要求2 ，而对大面积缓变的亮度不均 衡不敏感。采用邻域平滑法就是任一点的灰度值是该点邻域中若干像素的加权平 均值。采用邻域平滑法可使亮度衰减从3 1 下降到8 6 。 c 均值法 为了进一步减小相邻区域的亮度差，采用均值法： 第一步，求出光强平均值； 第二步，令所有大于平均值的l a 的像素亮度都等于； 第三步，用邻域平滑法进行平滑处理。 用均值法处理后，光衰减下降了1 1 2 ，相邻区域最大亮度差下降到2 3 8 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 表卜2 三种数据处理方法的性能比较 原图像最小归元法邻域平滑法均值法 亮度平均值 1 1 68 0 1 0 6 1 0 3 亮度平均值下降 3 1 8 6 1 1 2 邻像素绝对值 8 0o 3 4 1 9 亮度差 相对值 1 0 0 03 7 8 2 3 8 小结 本章主要介绍了课题的意义、来源和任务以及l e d 显示屏的基本原理和发展 状况。 天津大学硕士学位论文 第二章系统总体功能概述 第二章系统总体功能概述 在该课题中，提出使用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 作为系统主控的硬件平 台，接收计算机显卡输出的d v i 信号或者v g a ( 视频图形阵列) 信号，完成各种 数据处理功能及系统控制功能，实现计算机图像与l e d 彩色显示屏图像的实时、 动态显示。 2 1 系统总体构成 根据天津星球光电科技有限公司提出的要求，可以将系统分成若干子系统。 系统主要的功能如下： 对输入的d v i 信号解码，对输入的v g a 信号采样； 夺帧频6 0 h m ； 夺l e d 全彩屏图像分辨率大小为1 0 2 4 5 1 2 点； 提供1 6 条反y 校正曲线，任意可选； 每条反y 校正曲线的每种颜色提供6 4 级亮度，任意可选； 夺提供整屏图像的水平移动和垂直移动，移动的最小单位为一个像素值； 提供整屏图像的静画功能； 夺提供参数的外设输入及l c d 显示功能( 单片机控制) ； 主控设备和l e d 显示屏之间采用网线或光纤传输； 夺分控板控制l e d 彩色显示屏实现2 5 6 级灰度； 根据上述要求，系统应包含以下模块，框图如图2 - 1 所示。 系统中加入计算机y g a 口模拟信号也作为系统信号输入端的方法，有如下优 点： ( 1 ) 任何显卡都可以使用本系统设计，满足了一些无d v i 输出的客户计算 机的要求，尤其适合笔记本电脑等便携式系统安装调试使用； ( 2 ) 方便显示屏颜色数据的扩展，可由目前的8 位扩展为l o b i t 、i z b i t 甚至更多。 ( 3 ) 可以国际先进公司选用的视频处理器相连接，并可以做到脱离计算机 单独使用； 天津大学硕士学位论文第二章系统总体功能概述 图2 - i 数据采集、发送部分总体框图 d v i 口或v g a 口的输入信号经过a d 9 8 8 7 转换为数字信号之后分成两路传输， 一路经过d a 变换后送入c r t 显示器，一方面可以监控图像输入，另一方面可以 主观评价a d 采样后数据的正确性。另一路数据在产生的复合消隐、场同步、行 同步和像素点时钟信号的控制下送入数字控制单元，完成图像的移位和反y 校正 等处理，再将校正后的数据和相应的时钟信号、控制信号送入数据整合模块，完 成数据格式的变换，将所有数据分为4 个部分进行处理，转变为4 路信号，然后 分别送到传输芯片，完成“发送”部分的主要功能。 “传输”部分采用l v d s 的传输方式，使用n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的l v d s 串行解串器d s 9 2 l v l 6 ，配合驱动均衡器c l c 0 0 1 和c l c 0 1 2 ，通过双绞线或光纤 将高速的数据信号发送到接收端。 “接收”端分部分接收复用的信号，经过数据存储，串入级连，在整个l e d 屏上同时显示，完成整幅图像的显示工作。 2 2 系统各部分功能概述 2 2 1 数据采集 天津大学硕士学位论文第二章系统总体功能概述 系统要求将p c 机显卡的输出作为信号源，现今的计算机显卡都有v g 信号 输出，有些有d v i 输出，采用a d 转换也是为了满足没有d v i 信号输出的客户机 的要求。由于系统要求接收的图像分辨率最高为1 0 2 4 x 7 6 8 ，在此分辨率下，像 素点时钟为6 5 m ，所以此处应选择一款三路集成、8 位量化、最高采样速率为6 5 m 以上的a d 转换芯片。 由于系统还要求有接收d v i 信号的能力，所以数据采集部分还应该加入d v l 解码芯片。 2 2 2 数据乒乓存储 对于显卡输出的1 0 2 4 7 6 8 分辨率的图像，从a d 9 8 8 7 输出的信号为8 位数字 信号，速率为6 5 m ，因此在乒乓存储部分，数据写入的速率为6 5 m ，但是从存储 器中读出数据的速率可以降为3 2 u ，这是因为，两个存储器乒乓读写，每个存储 器中存的是一帧的数据，对于计算机，帧频为6 0 h z ，每一帧的时间为1 6 6 7 m s ， 只要在1 6 6 7 m s 内将一帧的数据读完即可，由于l e d 全彩屏的设计分辨率只有 1 0 2 4 5 1 2 ，经计算： 1 6 6 7 m s 1 0 2 4 5 1 2 = 3 1 7 9 6 n s 因此用3 2 m 的速率来读即可满足要求。 数据存储部分，对于r 、g 、b 任意一路信号，选用两片s r a m ( 静态存储器) 进行乒乓式存储，即当一片存储器处于写入状态时，另外一片存储器处于读取状 态，两个存储器以帧为单位进行状态切换。 显示屏的上、下、左、右任意移动功能主要是通过对存储器内存储数据时写 入的起点不同而实现的。 静画功能是通过将存储器的读、写使能信号置为常数来实现的，在实现静画 功能时，一个存储器一直在进行数据的写入，另一个存储器一直进行数据的读出， 向显示屏读出最后一帧的数据。 2 2 3 反y 校正 2 2 3 1 概述 几乎所有的c r t 显示设备、摄影胶片和许多电子照相机的光电转换特性都是 非线性的。但这些非线性部件都有一个能够反映各自特性的幂函数，它的一般形 式是： 天津大学硕士学位论文 第二章系统总体功能概述 y = x o 输出= ( 输入) 式中的y ( g a m n a ) 是幂函数的指数，它用来衡量非线性部件的转换特性。这 种特性称为幂一律( p o w e r - l a w ) 转换特性。按照惯例，“输入”和“输出”都缩放 到0 1 之间。其中，0 表示黑电平，l 表示颜色分量的最高电平。对于特定的部 件，人们可以度量它的输入与输出之间的函数关系，从而找出y 值。 实际的图像系统是由多个部件组成的，这些部件中可能会有几个非线性部 件。如果所有部件都有幂函数的转换特性，那么整个系统的传递函数就是一个幂 函数，它的指数y 等于所有单个部件的y 的乘积。如果图像系统的整个 = 1 ， 输出与输入就成线性关系。这就意味在重现图像中任何两个图像区域的强度之比 率与原始场景的两个区域的强度之比率相同，这似乎是图像系统所追求的目标： 真实地再现原始场景，但实际情况却不完全是这样。 当这种再生图像在“明亮环境”下，也就是在其他白色物体的亮度与图像中 自色部分的亮度几乎相同的环境下观看时，y = 1 的系统的确可使图像看起来像 “原始场景”一样。但是某些图像有时在“黑暗环境”下观看所获得的效果会更 好，放映电影和投影幻灯片就属于这种情况。在这种情况下，y 值不是等于1 而通常认为y = 1 5 ，人的视角系统所看到的场景就好像是“原始场景”。根据 这种观点，投影幻灯片的y 值就设计为l5 左右，而不是1 。 还有一种环境称为中间环境的“暗淡环境”，这种环境就像房间中的其他东 西能够看到，但比图像中自色部分的亮度更暗。看电视的环境和计算机房的环境 就属于这种情况。在这种情况下，通常认为再现图像需要y = 1 2 5 才能看起来 像“原始场景”。 所有c r t 显示设备都有幂一律转换特性，如果生产厂家不加说明，那么它的 y 值大约等于2 5 。用户对发光的磷光材料的特性可能无能为力去改变，因而也 很难改变它的y 值。为使整个系统的y 值接近于使用所要求的y 值，起码就 要有一个能够提供y 校正的非线性部件，用来补偿c r t 的非线性特性。 在所有广播电视系统中，y 校正是在摄像机中完成的。最初的n t s c 电视标 准需要摄像机具有y = 1 2 2 - - - - 0 4 5 的幂函数，现在采纳y = 0 5 的幂函数。p a l 和s e c a m 电视标准指定摄像机需要具有y = 1 2 8 = 0 3 6 的幂函数，但这个数值 已显得太小，因此实际的摄像机很可能会设置成y = 0 4 5 或者0 5 。使用这种 摄像机得到的图像就预先做了校正，在y = 2 5 的c r t 屏幕上显示图像时，屏幕 图像相对于原始场景的y 大约等于1 2 5 。这个值适合“暗淡环境”下观看。 过去的时代是“模拟时代”，而今已进入“数字时代”，进入计算机的电视 图像依然带有y - - - - 0 5 的校正，虽然带有y 值的电视在数字时代工作得很好， 尤其是在特定环境下创建的图像在相同环境下工作，可是在其他环境下工作时， 往往会使显示的图像让人看起来显得太亮或者太暗，因此在可能条件下就要做 天津大学硕士学位论文第二章系统总体功能概述 y 校正。 在什么地方做y 校正是人们所关心的问题。从获取图像、存储成图像文件， 读出图像文件直到在某种类型的显示屏幕上显示图像，这些个环节中至少有5 个地方可有非线性转换函数存在并可引入y 值。 2 2 3 2 反y 校正原理 对于c r t ，图像亮度b 与图像信号e 之间的交换为非线性，即b = e7 ，y 约 为2 8 。为了克服低照度段图像偏暗的缺点，图像传输系统进行了预补偿办法， 即y 校正。按b = e “7 ，即b = e o 3 5 7 对发送的图像信号进行预校正。 在l e d 显示系统中，亮度b 与电流脉冲占空比t 之间的关系是线性的。直接 使用经过y 校正的图像信号，必然造成低亮度段的亮度跳变太快，使图像的层 次感欠佳，必须对其进行反y 校正。 系统中提供了1 6 条反y 校正曲线，并且对于每条曲线的每种颜色提供了 6 4 级可选择亮度，可以满足不同客户的需求。 反y 校正主要是通过查表的办法来实现的，即将所有的校正曲线的数据预 先存到f l a s h 中，经过校正后的数据由原来的8 位扩展为1 6 位，使用存储器读 出的数据作为地址，对f l a s h 中的数据进行选择，形成了8 位数据到1 6 位数据 的一一映射，实现了反y 校正的功能。 2 2 4 主控芯片功能 系统中，主控芯片主要用来控制各个模块的正常工作，产生系统中所需的各 种控制信号，并对部分数据进行处理。其主要功能有以下几点： ( 1 ) 接收存储器的初始化地址，将串行输入转换为并行输出； ( 2 ) 根据不同的时钟速率产生存储器的读、写地址； ( 3 ) 产生各种控制信号，控制存储器的乒乓读、写，控制图像的四方位移 动及静画； ( 4 ) 根据点时钟及行、场同步信号产生复合消隐； 2 2 5 数据整合 天津大学硕士学位论文第二章系统总体功能概述 对于1 0 2 4 x 5 1 2 个像素点，每个点包含r 、g 、b 三种颜色，在经过反y 校正 后数据由8 位扩展为1 6 位，系统中的数据速率是很高的，考虑到数据传输部分 的负担，以及接收部分分控板的数据处理要求，我们将1 0 2 4 x 5 1 2 个点逻辑上分 成4 个部分1 # 、2 # 、3 # 、4 # 并行传输。 图2 - 2 显示屏逻辑划分 每部分对应一个通道口进行传输，降低了数据传输的速率，数据从存储器读 出的顺序应该为l # 第一点、2 # 第一点、3 # 第一点、4 # 第一点、l # 第二点、2 # 第 二点此处要求存储器的读地址有规律的跳变，以满足数据顺序的要求。 经过反y 校正后，一个像素点的信息包含于4 8 位的数据中，r 、g 、b 各1 6 位， 但是，这样的数据格式并不能满足接收部分对数据的要求，分控板要求每段的数 据中至少应该包含r 、g 、b 三种颜色某一位的信息，因此我们将r 、g 、b 三种颜 色数据中各取出4 位共1 2 位组成一段，例如，b 3 8 2 8 1 b o - g 3 g 2 g 1 g o r 3 r 2 r 1 r o ， 这样一个像素点的数据分成了4 个1 2 位的数据段表示，整个数据整合部分我们 用一片c p l d 来实现，接收每个像素点的r 、g 、b 三种颜色的所有数据，进行数 据格式的重组，然后按照每个点所在的逻辑部分分别送往对应的通道，完成数据 整合的功能。 2 2 6 数据传输 当系统输出图像大小为1 0 2 4 x 5 1 2 像素场，经过a d 变换和y 校正后需要进 行远程传输的数据量又有进一步的提升，其数据量为： 1 0 2 4 5 1 2 3 1 6 6 0 x 1 3 8 = 2 2 g b i t ，s 传输时，将数据分成四部分( 具体划分见数据整合部分) 传输，以分担系统总的 数据量，在l e o 显示屏显示时，也将整屏分为四部分单独显示。 天津大学硕士学位论文 第二章系统总体功能概述 2 2 7 数据接收 分控板功能： ( i ) 控制分辨率为6 4 x 6 4 = 4 0 9 6 点； ( 2 ) 接收传输的数据，并存储； ( 3 ) 实现灰度控制； 小结 本章对主控系统数据采集、发送部分整体功能和结构作了介绍，具体的实现 方案将在后面的章节详述。 天津大学硕士学位论文 第三章数据采集、发送部分硬件设计 第三章数据采集、发送部分硬件设计 上一章对系统总体功能作了简要介绍，本章将针对本人在课题中所完成的数 据采集、发送部分，详细介绍该部分的硬件设计。 3 i 主控系统硬件平台 3 1 i 可编程逻辑器件 ( 1 ) 概述 数字集成电路在数字化、信息化的时代得到了非常广泛的应用。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( v l s i c ) 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。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在 实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用。这 就是可编程逻辑器件提出的基本思想。 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 从2 0 世纪7 0 年代 开始，随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步。目前生产和使用p l d 产品 主要有可编程只读存储器( p r o m ) 、现场可编程逻辑阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l e l o g i ca r r a y ，f p l a ) 、可编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，p a l ) 、通 用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) 、可擦除的可编程逻辑器件( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 、复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) ，现场可编程编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 等几种类型。尤其是c p l d 和f p g a 随着工艺 技术的发展和市场的需要，超大规模、高速、低功耗的新型器件不断推陈出新。 新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( 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 ，s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。 ( 2 ) c p l d 器件及其优势 c p l d 是属于粗粒结构的可编程逻辑器件。它具有丰富的逻辑资源( 即逻辑门 与寄存器的比例高) 和高度灵活的路由资源。c p l d 的路由是连接在一起的，而 天津大学硕士学位论文 第三章数据采集、发送部分硬件设计 f p g a 的路由是分割开的。f p g a 可能更灵活，但包括很多跳线，因此速度较c p l d 慢。c p l d 以群阵列( a r r a yo fc l u s t e r s ) 的形式排列，由水平和垂直路由通道 连接起来。这些路由通道把信号送到器件的引脚上或者传进来，并且把c p l d 内 部的逻辑群连接起来。c p l d 之所以称作粗粒，是因为，与路由数量相比，逻辑 群要大得多。c p l d 的逻辑群比f p g a 的基本单元大得多，因此f p g a 是细粒的。 随着复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 密度的提高，数字器件设计人员在进行大型 设计时，既灵活又容易，而且产品可以很快进入市场。许多设计人员已经感受到 c p l d 容易使用、时序可预测和速度高等优点，然而，在过去由于受到c p l d 密度 的限制，他们只好转向f p g a 和a s i c 。现在，设计人员可以体会到密度高达数十 万门的c p l d 所带来的好处： i o 数量多。同其他可编程结构相比，在给定的器件密度上可提供更多的 i o 数，有时甚至高达7 0 。 时序模型简单。c p l d 优于其它可编程结构之处在于它具有简单且可预测 的时序模型。这种简单的时序模型主要应归功于c p l d 的粗粒度特性。c p l d 可在 给定的时间内提供较宽的相等状态，而与路由无关。这一能力是设计成功的关键， 不但可以加速初始设计工作，而且可以加快设计调试过程。 ( 蚕) c p l d 是粗粒结构，这意味著进出器件的路径经过较少的开关，相应地延 迟也小。因此，与等效的f p g a 相比，c p l d 可工作在更高的频率，具有更好的性 能。 c p l d 的另一个好处是其软件编译快，因为其易于路由的结构使得布放设 计任务更加容易执行。 ( 3 ) f p g a 器件 f p g a 和c p l d 的内部结构稍有不同，f p g a 的二维逻辑阵列模块是基于查找表 ( l o o k u p - t a b l e ) 结构的，如x i l i n x 的s p a r t a n 、v i r t e x 、v i r t e x e 、v i r t e x i i 、 v i r t e x - i ip r o 系列和a l t e r a 的f l e x 、a c e x 、a p e x 系列等。而c p l d 的二维逻 辑阵列模块是基于乘积项结构的，如x i l i n x 的x c 9 5 0 0 系列( f l a s h 工艺) ，a l t e r a 的m a x 7 0 0 0 ( e e p r o m 工艺) 和l a t t i c e 的部分产品( e e p r o m 工艺) 。 通常，f p g a 中寄存器资源比较丰富，适合做同步时序电路较多的设计；c p l d 中组合逻辑资源比较丰富，适合做组合电路较多的设计。而f p g a 与c p l d 在规模、 价格及速度上略有差异，但是对用户而言，f p g a 和c p l d 的设计方法是相似的， 使用e d a 软件的设计过程也没有太大的差别。设计时，只需根据所选型号充分发 挥器件的特性就可以了。 天津大学硕士学位论文第三章数据采集、发送部分硬件设计 3 1 2h a x i i 系列芯片的特点 m a xi i 器件基于成本优化的六层金属o 1 8l lmf l a s h 工艺，其功率只有以 往m a x 器件的十分之一。m a xi i 器件采用全新的体系结构，在所有的c p l d 系列 中具有最低的单位i o 成本和最低的功耗。这款即用非易失的器件系列价格是 其它c p l d 的一半，是面向一般的小容量逻辑应用。m a xi i 器件除了提供最低成 本的传统c p l d 设计之外，还为更大容量的设计改善了成本和功耗，能够替代成 本更高或功率更高的f p g a 、a s s p 和标准逻辑器件。m a xi i 器件具有