（通信与信息系统专业论文）利用可编程逻辑器件设计led显示屏.pdf

馨锄6 。 型旦里塑! ! 里塑矍竺堡生! ! 里墅垒里至堡一一 摘要 本文在分析v g a 图象显示原理和l e d 大屏幕与c r t 视频图像同步显示 原理的基础上，论述了一种显示效果较好、性能价格比高、电路上易于实现的 方法位平面寻址法实现多灰度图象，并详细分析了应用复杂可编程逻辑器 件c p l d 和在线可编程逻辑器件f p g a 实现多灰度彩色l e d 大屏幕图像显示 的原理及电路实现。 关键字：v g a多灰度l e d 显示屏 v h d lc p l df p g a 位平面寻址 o 、 。 。 、 、 第1 页 型旦旦塑堡望塑壁丝堡生兰兰2 堂鱼里至堡 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h es t u d yo fv g a g r a p h i cd i s p l a y i n gt h e o r ya n dt h e t h e o r yo fs y n c h r o n i z i n gd i s p l a yb e t w e e n l e d l a r g e s c r e e nd i s p l a ys y s t e ma n dc r t i m a g e ，am e t h o d ，b i tp l a n ea d d r e s s i n g m e t h o dw h i c hh a sg o o d e f f e c t 、h i g h r a t i o o f p e r f o r m a n c e t op r i c ea n dc a nb ei m p l e m e n t e de a s i l yi nc i r c u i t si sd i s c u s s e d a n d t h ep r i n c i p l ea n dt h ei m p l e m e n t a t i o n o ft h em u l t i 一伊a yl e d d i s p l a ys y s t e mw i t h p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e s c p l da n df p g aa r ea n a l y z e di nd e t a i l k e yw o r d s ： v g al e dl a r g es c r e e n d i s p l a ys y s t e mm u l t i - g r a y b i tp l a n ea d d r e s s i n g p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c p l df p g a 第2 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色娃示屏 前言 l e d 大屏幕显示系统，即用l e d ( 发光二极管) 阵列来完成图像显示。 近年来，l e d 视频显示屏越来越成为l e d 显示发展的方向。l e d 视频显示屏 具有图像色彩丰富、实时视频显示、高亮度、长寿命、小体积以及平面性好等 优点，现已广泛应用于体育场馆、机场、车站等场所，用以显示文字、图形、 动画及动态视频影像等多媒体信息。 l e d 大屏幕的发展经历了两个阶段：第一阶段的l e d 大屏幕显示系统主 要用于一些固定的信息显示，该系统把需显示的信息预先存入存储器，显示时 直接调用即可完成。但在很多场合中，要求实时显示各种信息，这样就出现了 另一种类型的l e d 大屏幕显示系统，这种显示系统能实现l e d 大屏幕与c r t 视频的同步显示，达到快速实时的信息显示功能。 随着半导体技术的进一步发展及大规模集成电路的广泛应用，在设计中， 各种大规模可编程逻辑器件被用于实现电路功能，使整个应用系统朝着小体 积、高集成度、高可靠性、高速度方向发展，而且大大增加了电路设计的灵活 性、使电路易于调试和修改、缩短了开发时间，系统性能也有了进一步提高。 本文针对v g a 系统原理，讨论了采用位平面寻址方式实现在l e d 大屏幕 上重现“多灰度”级视频图像的原理，并详细分析了利用复杂可编程逻辑器件 c p l d 及现场可编程逻辑器件f p g a 实现多灰度级l e d 大屏显示系统的原理。 第1 页共7 l 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩也轻示屏 1 l e d 大屏幕设计概述 1 1l e d 大屏幕显示的基本原理 十几年来，随着显示器件与技术的进一步发展，大屏幕显示系统在国民经 济中得到了广泛应用。由于l e d 大屏幕显示系统与电子束显示系统相比，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，在各大屏 幕显示应用中占有相当大的比例，所以基于这方面的技术研究越来越受到广泛 重视。 l e d 大屏幕点阵显示是采用发光二极管( l e d ) 或多个发光二极管组成 的像素管构成面积点阵，它采用x y 寻址方式显示图文或图像。l e d 大屏 幕的每一个像素点由r 、g 、b 三色l e d 管组成，对应着视频图像的一个像素， 例如：对应计算机v g a6 4 0 * 4 8 0 工作模式，此模式显示图像由6 4 0 * 4 8 0 像素 点组成，可以分别对应l e d 点阵组成的每一像素点，如果l e d 点阵中每一像 素r 、g 、bl e d 管的发光亮度随对应v g a 6 4 0 * 4 8 0 图像像素点r 、g 、b 信 号变化而变化，就能显示相应的屏幕图像。l e d 屏幕显示的图像灰度等级可 以与v g a6 4 0 * 4 8 0 图像一致，也可以减少，但如果l e d 屏幕图像的亮度变化 越多则灰度等级越多，图像色彩越多，则在l e d 屏幕上显示的图像越逼真， 层次越丰富、临场效果越好。 、 1 2 设计要求 随着计算机的应用普及。结合计算机技术和大屏幕显示技术，可以在l e d 大屏幕上获得我们所需要的图像信息显示。根据汽车综合性能检测系统的工程 需要，本次设计要求如下： 1 大屏幕显示系统可以作为计算机的终端显示设备，可以针对计算机应用系 统中应用程序所运行的结果进行实时的信息显示。例如：将设计的大屏幕 系统应用在汽车自动检测系统中，在汽车检测过程中实时显示各种提示信 第2 页共7 l 砸 型星里塑望望塑堡竺坠! 生兰里墅垒里翌三堡 息及检测结果，而且能播放一些广告、动画等。 2 支持计算机v g a8 0 0 * 6 0 0 工作模式。 3 可对计算机显示屏幕上的任意窗e l 的信息进行显示，且l e d 屏幕根据需 要可大可小。l e d 大屏幕显示的图像位置对应c r t 屏幕图像的窗口位置可 以任意调整。 4 要求系统易实现、成本低、可靠性好。 1 3 用中小规模集成电路与用大规模可编程器件实现l e d 大屏幕比较 以前的l e d 大屏幕显示系统用中小规模集成电路实现，系统体积较大、 调试困难、不易修改。随着大规模集成电路和可编程逻辑电路的发展，器件性 能大大改善，可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、高可靠性、在线可编程 ( i s p ) 等特点，所以，运用可编程逻辑器件( 例如：c p l d 、f p g a ) 来完成 电路功能，不仅能够满足大屏幕系统高速图像数据传输对速度的要求，改善了 电路性能，而且增加了电路设计的灵活性，设计中可以根据实际应用的需求灵 活修改相应硬件描述语言程序，而不需要修改电路硬件设计，缩短了设计周期， 降低了成本。基于以上优点，可编程逻辑器件被越来越广泛的应用在各种复杂 电路设计中，在本设计中，我们也将用c p l d 和f p g a 实现l e d 大屏幕显示 系统的主要功能模块，以使l e d 大屏幕系统的性能能得以改善。 1 4 设计方法概述 本次设计中，突破了常规的用中小规模集成电路实现显示系统的方法，应 用大规模可编程逻辑器件c p l d 和f p g a 硬件编程实现l e d 大屏幕显示系统， 实现了在系统可编程( i s p ) ，使系统小型化、集成化，缩短了设计周期。改善 了系统功能。整个l e d 大屏显示系统由三部分组成：信号传输板、信号分配 板、信号驱动板。 信号传输板完成对视频图像信号的采样，为了降低图像数据传输速度，本 第3 页共7 i 页 型星里璺矍望塑竖堡堡盐兰兰里墅垒里尘堡 设计采用隔行隔列传输原理，即对于每帧c r t 视频图像，仅提取它的隔行隔 列的数据用于l e d 显示。信号的隔行隔列采样应用一片c p l d 完成。 信号分配板完成c r t 视频图像与l e d 大屏幕显示图像之间的时序转换。 在本系统中，图像数据的存储方式采用快页切换方式，交替对两组静态存储器 进行读写操作；系统根据脉宽实现灰度原理，应用位平面寻址法，将一帧图象 按照存储的位平面不同分为不同脉宽的4 个子场显示，由人眼的视觉平均来重 现多灰度图象：l e d 屏的扫描方式为各分区同步分行扫描方式，为了降低l e d 大屏显示数据的传输速度，将整个屏幕分为十六个分区，每分区十六行，在扫 描过程中，各分区数据同时传输，当一行数据全部传输到对应l e d 点阵后， 驱动该行显示，同时，移位输入下一行数据由此实现l e d 屏的扫描显示。 信号分配板主要由一片f p g a 和两组静态存储器( 每组存储器由8 片s r a m 组成， 分别代表红、绿各四个位平面) 组成，其中，f p g a 完成信号分配板的大部分 功能，包括s r a m 组读写地址及读写控制信号产生、l e d 屏幕扫描信号及数据 有效信号产生等，满足了信号处理速度要求，提高了可靠性。 信号驱动板的功能主要是接收从信号分配板移位输入的图像信号，再利用 5 9 5 芯片的移位+ 锁存+ 驱动功能，完成l e d 屏幕扫描，重现伪彩色、多灰度 图象。 第4 页共7 i 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 2 采用位平面寻址法实现 l e d 彩色大屏幕系统原理 由于l e d 大屏幕系统设计关键是将计算机技术与l e d 大屏幕技术结合起 来，l e d 大屏幕系统显示的图像显示数据取自于计算机的视频卡，这里，首 先来了解v g a 系统原理，在此基础上设计所需的l e d 大屏幕系统。 2 1 v g a 系统原理 视频显示终端( v d t ) 是标准p c 系统的视频显示组件，我们通常所称的 监视器( m o n i t o r ) 就是视频显示终端的一种，当然还包括l c d 、t f t 、p d p 、 l e d 点阵等组成的视频显示终端。其中监视器中用的最多的是v g a 彩色监视 器。这种技术是由i b m 随p s 2 机一起公布于众的，它以模拟信号显示代替数 字信号显示，这种监视器在配有v g a 视频系统的计算机系统中大量采用。 v g a ( v i d e og r a p h i c sa r r a y ) 彩色显示系统作为公认的技术系统，已被i b m p c 及其兼容机所采用，而v g a 的兼容产品s u p e rv g a 的体系结构基本与i b m v g a 相同，其显著的特点是高分辨率的显示功能和比i b mv g a 更丰富的色 彩显示能力。s u p e rv g a 的6 4 0 * 4 8 02 5 6 色显示模式是微机c a d 、二维和三 维动画以及各种操作系统极为普遍的显示模式。 2 1 1v g a 技术组成 v 0 a 系统包括下列单元 ( 1 ) 一个视频存储区域通常称为视频缓冲区 ( 2 ) 一个驻留在r o m 中的b i o s ( 3 ) 一个可编程寄存器 第5 页共7 f 贝 型里旦塑塑望璺登堡堡生兰曼里墅鱼里尘壁 ( 4 ) 一个数模转换器( d a c ) ( 5 ) 一个兼容的监视器 v g a 视频存储区映象为四个位平面，每个6 4 k ，这样总的视频存储空间 为2 5 6 k 。v g ab i o s 是一个软件接口，它支持系统操作并包含字符字体。v g a 可编程的组件可分为四个寄存器组：c r t 控制器、时序发生器组、图形控制 器组和属性控制器组。数模转换器( d a c ) 发送模拟信号给显示器的连接器， 这些信号被编码为红、绿、蓝等成分，参见图( 2 1 1 1 ) v g a 系统的组成框 图。 圈( 2 1 1 1 )v g a 系统组成框圈 2 1 2 v g a 工作模式 v g a - 监视器 v g a 视频模式可以分为文本模式和图形模式。在所有v g a 视频模式中， 每种颜色都在2 5 6 种可能颜色中选择，模式1 2 h e x 和1 3 h e x 为专有v g a 模式， 模式1 2 h e x 为6 4 0 * 4 8 0 像素同时有1 6 种颜色，模式1 3h e x 为3 2 0 * 2 0 0 像素同 时有2 5 6 种颜色。 a v g a 图形模式1 2 h e x v g a 模式1 2 h e x 支持1 6 种颜色，有时称为1 6 色图形模式。像素颜色取 决于四个位映象，分别为强度( i n t e n s i t y ) 、红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 。1 6 位 模式的位映象示于图( 2 1 2 1 ) 。 第6 页共7 i 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 ibg r 位彩色代码 765432 1 l 0 一 位平面位序号 一r i 【 一g t 一b 苴 一一一l 强度 圈( 2 1 2 1 ) 16 色模式的位映象 b v g a 图形模式1 3 h e x 该模式由2 5 6 种颜色，8 个位对应一个象素，与每一个字符有关的属性字 节的四位与前景色有关，这四位对应十六种前景色，十六种前景色映射到十六 个色彩寄存器。参见图( 2 1 2 2 ) v g a 模式1 3 h e x 中缺省彩色寄存器的 设置。 0 0 h 1 0 h 2 0 h 6 8 h b o h f 8 h 16 彩 p _ , ( i r g b 格式) 1 6 灰度 高强度组 中强度组 低强度组 暴色、 0 f h 1 f h 6 7 h a f h f 7 h f f h 圈( 2 1 2 2 )v g a 模式13 h e x 中 缺省彩色寄存器的设置 在v g a 中，调色版寄存器的输出即为色彩寄存器的地址( 图( 2 1 4 1 ) ) ， 实际的颜色代码来自于色彩寄存器。 这种模式是v o a 中唯一要求调色板寄存器不被改变的模式，如果颜色需 要替换，则相应的色彩寄存器，而不是调色扳寄存器将被变更。按照缺省调色 板寄存器值，1 6 个调色板寄存器被装上0 到1 5 的值。色彩选择寄存器决定调 色板寄存器0 到1 5 所选择的1 6 个色彩寄存器。每一批1 6 个色彩寄存器包含 有与e g a 兼容的颜色。第二批1 6 个色彩寄存器包含有灰色，而别的色彩寄 第7 页共7 i 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色旺示屏 存器包含有色彩的组合。 2 1 3 s u p e rv g a 的色彩扩展 因视频数据存储于被限定的6 4 k 存储空间，故在v g a 模式1 3 h e x ，为了 实现2 5 6 彩色，屏幕清晰度必须降到3 2 0 * 2 0 0 像素。但简单的算术运算表明， 许多v g a 模式存储空间有过剩。例如：假如分辨率为6 4 0 * 4 8 0 像素，存每个 映象视频数据仅占6 5 5 3 6 个有效字节中的3 8 4 0 0 字节，因此每个映象中有2 7 1 3 6 字节未用。增强v g a ( s v g a ) 视频系统正是基于利用这剩余的存储区来存 视频数据。 s u p e rv g a 利用存储区分体( m e m o r yb a n k i n g ) ，又称体切换法，在体 切换法中，视频显示硬件将几个6 4 k 的r a m 块映象到相同的视频存储区，多 段r a m 空间的编制是通过硬件机制实现的，它用来选择哪个视频存储区域作 为当前系统可寻址空间。 s u p e r v g a2 5 6 色扩展，采用每个像素使用一个存储字节编码2 5 6 色组合， 抛弃了v g a 模式1 2 h e x 中的像素屏幕的复杂性，而彩色编码模仿了v g a 模 式1 3 h e x ，这就是s u p e rv g a 扩展的特点。 在s u p e rv g a 系统中，安装的总的存储区大小由有效分辨率和彩色范围 决定，例如：s u p e rv g a6 4 0 * 4 8 0 像素模式，彩色范围为2 5 6 色，每个像素 需一个存储字节，则系统需3 0 7 2 0 0 字节。 2 1 4v g a 数据到颜色的转换 v g a 配有2 5 6 个颜色寄存器。v g a2 5 6 色显示模式，显示存储区的每 一个像素由8 位数据表示，这8 位数据是提供给数模转换器( d a c ) 作为选 择颜色寄存器之用，图( 2 1 4 1 ) 是v g a 数据到颜色转换的方框图。 从图( 2 1 4 1 ) 中可以看出，选中的调色板寄存器产生一个地址，通常称 为8 位索引地址，不是颜色码，这个地址用来访问有颜色码的颜色寄存器。例 如：2 5 6 个眼色寄存器分别由1 8 位组成，红、绿、蓝三基色各占6 位，因此 最多可定义2 6 2 1 4 4 = 2 * * 1 8 种不同的颜色。图( 2 1 4 1 ) 中的数模转换器( d a c ) 第8 页共7 1 页 型旦里塑矍望塑堡壁堡堡生兰2 墅鱼望重堡 除了提供带颜色寄存器的颜色查找表( l u t ) 以外，还提供数模转换电路，他 们分别把数字信号转换成红、绿、蓝模拟信号送模拟监视器。 量示位平面调色鬟膏存色膏存 一二_ i o o 二) 鬟拟虹 l_ 4一 一 1 】 l- 0 位童，l i l t i r 1 一 if i 1 5 2 5 5 = 三蕞扳t = = ，曩扳t 送监视器 i l l ( 2 1 4 1 ) v g a 数据封色转换的方框图 一般来说，v g a 颜色寄存器中的每种颜色位6 位，可产生6 4 个可能的灰 度级。如果v g a 颜色寄存器的每种颜色位8 位，则可产生2 5 6 个可能的灰度 级。 2 2多媒体视频卡j m c - - l e d2 0 0 0 系列卡介绍 j m c - - l e d2 0 0 0 系列多媒体视频卡是北京银河电脑公司开发用于l e d 大 屏的最新一代产品，采用了一系列新技术、新工艺，在图像质量、兼容性、易 用性、软件功能和硬件性能等方面有了突破性的提高。 j m c l e d2 0 0 0 系列多媒体视频卡具有安全性保护设计，板卡全部采用 s m t 工艺，设计紧凑、可靠性高。其中a 、b 型提供了对r 、g 、b 单独调整 亮度和对比度的功能，v g a 窗口和视频窗口的亮度、对比度可互相独立调整， 以单独补偿视频信号的失真。 j m c l e d2 0 0 0 系列提供了三套节目制作工具：m d kf o r l e d 、e a s y m d k 、m d k 5 0 基础版，并可提供软件开发工具，用户可以根据需求选用或 自行开发应用软件。三套节目制作工具从功能和使用方便性上有所不同，以便 于满足不同的大屏使用者的需要。 j m c - - l e d2 0 0 0 系列分为a 、b 、c 三档产品，全面满足不同功能、不同 档次、不同应用需求的大屏应用，而且能有效降低成本、提高效益。 第9 页共7 1 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 2 2 1j m c - - l e d2 0 0 0 系列多媒体视频卡 a j m c - - i ，e d2 0 0 0 a 多媒体视频卡 j m c - - l e d2 0 0 0 a 型卡基于p c i 总线，采用最新6 4 位图形加速器，将v g a 和视频功能合二为一。视频数据与v g a 数据叠加、基色空间变换均在卡内实 现，从根本上解决了兼容性问题。全屏分辨率采集( 7 6 8 * 5 7 6p a l 、 6 4 0 + 4 8 0 n u s c ) 、y u v 4 ：2 ：2 无压缩存储技术的应用保证了视频图像的最佳 化。视频可以无级放大到1 0 2 4 7 6 8 满屏显示，视频窗口可任意缩放移动，视 频窗口缩放采用e s t 边缘增强技术，保证放大后的图像清晰稳定。 支持大屏灰度级：最大2 5 6 级 数字口规格：r g b 8 ：8 ：8 两种排列方式 v g a 和视频播放合二为一 视频编码格式：y u v2 ：2 ：2 视频采集分辨率：全屏7 6 8 * 5 7 6p a l 、6 4 0 * 4 8 0n u s c 视频窗口无级缩放：最大1 0 2 4 * 7 6 8 满屏显示 视频输入：一路复合、一路s - v i d e o v g a 分辨率：6 4 0 * 4 8 0 、8 0 0 * 6 0 0 、1 0 2 4 * 7 6 8 支持颜色深度：1 6 色、2 5 6 色、6 4 k 色、1 6 m 色 软解压播放v c d ：7 0 帧秒以上 运行环境：w i n 3 1 、w i n 9 5 、w i n 9 8 、w i n n t 4 0 ，p c i 总线 b j m d _ i e d2 0 0 0 b 多媒体视频卡 j m c - - l e d2 0 0 0 b 型卡是一档专用于高灰度级图文屏的多媒体控制卡， 采用6 4 位图形加速器，支持多种颜色和分辨率，可由用户根据需要任意选择。 j m c - - l e d2 0 0 0 b 能很好的支持各类真彩色图片和v c d 播放。 支持大屏灰度级：最大2 5 6 级 数字口规格：r g b 8 ：8 ：8 两种排列方式 v g a 分辨率：6 4 0 * 4 8 0 、8 0 0 * 6 0 0 、1 0 2 4 * 7 6 8 支持颜色深度：1 6 色、2 5 6 色、6 4 k 色、1 6 m 色 软解压播放v c d ：7 0 帧，秒以上 运行环境：w i n 3 1 、w i n 9 5 、w i n 9 8 、w i n n t 4 0 ，p c i 总线 第1 0 页共7 i 页 型里里塑堡望塑登竺塑生兰兰里墅鱼里至星 c j m c - - l e d2 0 0 0 c 多媒体视频卡 j m c l e d2 0 0 0 c 型卡是一档低成本的l e d 大屏多媒体控制卡，图像质 量清晰、稳定，适用于低灰度级或小面积的图文屏应用。 支持大屏灰度级：最大6 4 级 数字口规格：r g b6 ：6 ：6 v g a 分辨率：6 4 0 * 4 8 0 支持颜色深度：1 6 色、2 5 6 色 软解压播放v c d ：7 0 帧，秒以上 运行环境：d o s 、w i n 3 1 、w i n 9 5 ，i s a 总线 j m c - - l e d2 0 0 0 系列提供软件开发工具，包括卡的初始化、卡的设置及视 频卡操作等软件接口，并提供三套节目制作工具：m d k f o r l e d 、e a s y m d k 、m d k 5 0 基础版。 广告节目制作工具m d k l e d 、e a s ym d k l e d 和m d k 5 0 基础版采用面 向对象的技术，把界面制作、节目结构设计以及多媒体设备控制有机地结合起 来，大大简化节目制作过程。特别是e a s ym d k l e d 专门针对l e d 节目制作 而设计，操作简化、实时播出，使用更加方便。 2 2 2 数字口定义 j m c - - l e d2 0 0 0 系列a 、b 卡均配有两种数字r g b 口规格： 5 0 p i n + 1 6 p i n 5 0 p i n 数字r g b 口提供行同步信号、场同步信号、复合消隐信号、点时钟信号 以及r g b 各8 位数据，用以控制大屏显示，信号定义如下： 当采用p 2 口( 5 0 p i n ) + p 3 口( 1 6 p i n ) 配合输出时 j r 0 - - j r i j g o 一_ j g lj b o _ _ j b l开路 p 2 口( 5 0 p i n ) 信号定义为 信号名管脚号描述 b l a n k 2 复合消隐信号 p c l k 4 点时钟信号 r e d 7 ：2 6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6红色信号( 高6 位) 第1 l 页共7 l 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 g r e e n 7 ：2 1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 ，2 6 ，2 8绿色信号( 高6 位) b l u e 7 ：2 3 0 ，3 2 ，3 4 ，3 6 ，3 8 ，4 0蓝色信号( 高6 位) v s y n c4 9场同步信号 h s y n c5 0行同步信号 g n di 3 9 的奇数，4 7接地信号 v c c4 8 + 5 v 电源 n c 4 l ，4 2 ，4 3 ，4 4 ，4 5 ，4 6空脚，请悬空处理 p 3 口( 1 6 p i n ) 信号定义为： 信号名管脚号描述 r e d 1 ：0 4 ，6红色信号( 低2 位) g r e e n 1 ：0 8 ，1 0绿色信号( 低2 位) b l u e 1 ：0 1 2 1 4 蓝色信号( 低2 位) g n d 1 1 5 的奇数，2 ，1 6接地信号 2 当采用p 2 口( 5 0 p i n ) 单独输出时 j r o _ j r lj g o j g lj b 0 _ j b l 短路 p 2 口( 5 0 p i n ) 信号定义为 信号名管脚号描述 b l a n k2 复合消隐信号 p c l k4 点时钟信号 r e d 7 ：0 6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，4 1 ，4 2红色信号( 8 位) g r e e n 7 ：0 1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 ，2 6 ，2 8 ，4 3 ，4 4绿色信号( 8 位) b l u e 7 ：0 3 0 ，3 2 ，3 4 ，3 6 ，3 8 ，4 0 ，4 9 ，4 6蓝色信号( 8 位) g n dl 3 9 的奇数，4 7 接地信号 v s y n c4 9 场同步信号 h s y n c5 0 行同步信号 v c c4 8 + 5 v 电源 时钟频率与v g a 模式： 分辨率刷新频率颜色数时钟频率 ( h z )( m h z ) 6 4 0 x 4 8 06 01 6 2 5 6 6 4 k 1 6 m 2 5 7 7 8 0 0 x 6 0 06 0l6 2 5 6 6 4 列l6 m 4 0 0 9 10 2 4 x 7 6 86 016 2 5 6 6 4 刚l6 m 6 4 4 3 第1 2 页共7 l 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 2 2 3 接口设计说明 j m c l e d2 0 0 0 系列卡数字口输出为标准t t l 电平。在l e d 卡上对各 个信号( 包括行同步信号、场同步信号、复合消隐信号、点时钟信号及图像信 号) 都作了驱动。电路如下： 7 4 f 2 4 4 信号信号出 在本l e d 大屏幕系统中，采用j m c l e d 2 0 0 0 a 卡，能够满足系统设计 的要求，数字口采用p 2 口单独输出模式。 2 3l e d 大屏幕多灰度产生的原理 2 3 1 l e d 灰度显示屏的显示原理 l e d 灰度屏的多灰度显示方式包括两种： a 电流型灰度显示 通过上述分析可知，实现2 5 6 级灰度的实质问题就是使发光管显示出1 6 种不同强度等级的光来。在电路实现上，其亮度可以通过控制流经发光管的电 流的大小来实现，这是一种较直观、易理解的方案，其工作原理示意图如图 ( 2 3 1 1 ) 所示。 d 3 一d 0 为数据位，但数据为“l ”时，该数据控制的开关接上端短路线， 否则，电流流经r ，其余三位工作方式完全一样，l e d 的饱和压降为u f 。 现假定l e d 导通电阻为0 ，则当数据不断变化时，流经l e d 的电流也在变化， 因此可实现1 6 级灰度的显示。 第1 3 页共7 1 页 型旦里塑堡望塑壁堡塑生兰曼里堂丝里至星 上述方案看似简单易行，实际实现中却有很大困难。由于各个l e d 的特 性不完全一样，而且发光二极管电流线性变化区较窄，这样，很可能导致在同 样灰度等级时两个二极管流过的电流大小是不一样的，也有可能不同的灰度等 级时流经相同的电流，这同样给灰度的正确显示带来困难。因此，在灰度屏设 计中，建议不采用这种方案。 图( 2 3 1 1 ) 电流灰度显示工作原理图 b 灰度分时显示方案 由于人的视觉特性，人眼对某亮点的感觉不仅与该点的亮度有关，还与该 点被点亮的时间长短有关，因此发光管的亮度还可以通过控制二极管点亮的时 间来实现灰度层次，这种方案的显示效果比较理想。 为了让l e d 显示出1 6 个灰度层次，可将显示时间分为1 5 等分，对应不 同的数据，点亮的时间也是不同的，高电平时对应点亮时间，亮的时间长，平 均亮度自然要大。由于人眼对亮度的感觉在一定程序下是一个积分效果，所以 考虑到视觉因素的影响，数据全“1 ”时亮度并不是数据为“0 0 0 1 ”时的1 5 倍， 但可以肯定的是l e d 导通时间更长一些，发出的光平均强度一定更大一些， 而且将一段时间等分在电路中便于实现，所以在灰度屏的设计中通常大都采用 该套方案。 由于二极管的饱和压降基本上相等并且较小，在这种条件下，电路上很容 易使所有二极管导通时流经大致相同的电流，在将时间进行等分，克服了第一 种方案中不同发光管灰度对应电流不相同的缺点，可以较真实的再现出图像的 第1 4 页共7 l 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 灰度层次，显然这一方案更为科学。 2 3 2l e d 大屏幕多灰度产生原理 l e d 具有快速时间响应特性，最高可达数十兆赫兹，可以采用脉冲方式 驱动l e d 发光，例如：用i m h z 、占空比为3 、峰值电流l a 的脉冲去驱动 l e d ，与用2 5 m a 的直流驱动，其发光亮度是一致的。显然，调节驱动脉冲的 占空比，可获得不同的l e d 的发光亮度。下面介绍多灰度级产生的原理。 l e d 点阵的每一像素由红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三色l e d 管组成：对应 着视频图象的一个像素点。如果l e d 点阵每一像素的红绿蓝l e d 的发光亮度随 c r t 对应象素点r 、g 、b 信号变化而变化，就能显示出相应的c r t 图象。根椐 视觉成像原理中的对比度和灰度等级的定义：对比度是指画面上最大亮度和最 小亮度之比，灰度是指画面上灰度的等级差别。例如，一幅c r t 图象应该有个 1 6 个等级左右的灰度，就是说对比度范围有1 6 种不同的亮度。很显然，亮度 级别越多，图象层次越分明，图象越柔和，看起来比较舒服。一般来说人眼睛 可以分辨的最大灰度级大约为1 0 0 级。如果在l e d 大屏幕上，实现6 4 级灰度 的图象重现。对于人眼来说就能达到比较舒适的感觉。 根据颜色相加成灰度的原理( 亮度方程) 。通过三色l e d 管所发出光可以 转换成灰度，按如下公式： 灰度级一0 3 0 * r + 0 5 9 g + 0 1 1 粕( 1 ) 一般来说l e d 大屏幕l e d 管的发光是采用脉冲方式驱动的，通过控制单位 时间内l e d 管的导通时间，即通过调节脉冲的占空比，可获得不同的灰度，由 此可见组成单位像素点图象即驱动红、绿、蓝l e d 管的数据信号的量化比特数 越多，由此可实现的灰度级别越多，例如，如果按v g a 的2 5 6 色模式，每种颜 色用6 位输出，即可产生2 * * 6 = 6 4 个可能的灰度级。 2 4 屏幕分区 由微机获得的数字视频信号经处理后送到l e d 大屏的距离通常都比较 远，一般在十米以上，所以必须采用长线驱动的方式传送。如通过采用一条平 第1 5 页共7 l 】；r 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色址尔屏 衡线路r s 4 2 2 接口传送方式。但即使采用长线驱动的办法，还不能满足数据 传送速率的要求。为了降低数据传送速率，将l e d 大屏幕按l 的倍数划分为 若干区，通常取l = 1 6 行，数据的传输按区的划分进行分区并行传送。例如， 一个m 行n 列的l e d 大屏幕由m * n 像素点阵组成( 每一个像素点由红、绿、 蓝l e d 管组成) 。m 一般为1 6 的倍数，设m = m + 1 6 ，则l e d 大屏由m 个分区 组成，每个分区由1 6 * n 列像素点组成，数据的传输速率降低为未分区前的速 率的l m 。屏幕分区如图( 2 4 1 ) 所示： ( 0 ，0 ) ( 1 6 ，o ) ( 1 6 ( m - l 卜广一 ( 1 6 m ，0 ) 图( 2 4 1 )一个m 行+ n 列大屏分区示意图 ( o ，n ) ( 1 6 m ，n ) 2 5 采用位平面寻址法产生搿多灰度”图象的原理 将屏幕分区以后，l e d 大屏幕是按帧频来刷新的，则划分后的m 个分区 同时进行刷新，整帧的图象可由一个m 行n 列的矩阵表示，其中对应每一帧 m * n 像素点的视频图象的刷新，矩阵元素的值也发生相应的变化，矩阵的表 达式如公式( 2 ) ： r1 i + 月+ g g + bl t + b r 。i r + g 1 g + b _ l + b ，i r + gi g + bi b ，_ + r + g _ g + b _ g ( 2 ) 第1 6 页共7 l 页 型旦里塑望堡塑璺壁堡生生墨旦墅竺星! 堡 其中r 、g 、b 代表着具有单位亮度的r 、g 、b 三基色，系数r u ，g i j ，b i j ( 其 中i j 分别为：l i m 、1 j n 的整数) 为零和正整数，它决定混成 该像素点颜色所需r 、g 、b 三基色的亮度份额。如果从v g a 卡取的数字视 频r 、g 、b 分别由6 位数据组成，即r o r lr 2 r 3 r 4 r 5 ，9 0 9 1 9 2 9 3 9 4 9 5 ，b o b i b 2 b 3 b 4 b 5 分别代表二进制表示的r 、g 、b 数字视频图象，则灰度( 白电平) 按式( 1 ) 所含三原色的亮度分成2 * * 6 = 6 4 级，其中每份亮度是0 3 0 r + 0 5 9 g + 0 1 1 b ，即 单位亮度，则有 6 ，= 谬+ b , “j 2 + 6 2 1 + 秽2 + b l j * 2 。+ 6 p 2 k g 。= g ：， + g ：2 + g ? 2 1 + g ”, j 2 1 + g ? 2 4 + g ? 2 i 【5 ) 表达式中r ( 1 ) ，g ( 1 ) ，b ( 1 ) ( 1 为：0 l o 整数) 的可能取值分别为0 到6 3 ，将公式( 3 ) ，( 4 ) ，( 5 ) 代入公式( 2 ) 表示用r i j 份的单位亮度红色， 到份的单位亮度绿色，b q 份的单位亮度蓝色可以混成该元素的对应像素点的 颜色。 i 根据矩阵的可运算法则，矩阵( 2 ) 可表示为： ri i + r + gi i g + b b ri + r + gi 。g + bi 。+ b ，。i r + g _ i g + b 1 b ”rm + r + g _ + g + b m+g = 凡i ：；j ，：j ：i + g i 二! ! ，：二；! ：i + b i ：12。：! 公式( 6 ) 表示一帧图象可分解为r 、g 、b 单色图象，即将r 、g 、b 单色图 象分别同时传送分别驱动对应像素的红、绿、蓝l e d 管，并按相同的场频进 行刷新，由于人眼的空间分辨能力有限，由空间混色原理可恢复c r t 所对应 第1 7 页共7 l 页 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩也显刁 屏 的彩色图象。 将公式( 3 ) 、( 4 ) ( 5 ) 分别代入( 6 ) ，根据矩阵运算法则有： ，i 。r + gi 。g + b 1 b r 。r + g 。g + b + g 墨1 6 ：o6 ：11 6 ：o6 ：1 叫j 卜+ 4 ：jp m 1 6 26 捌1 6 训6 剖 其中r i j ( 1 ) ，g i j ( 1 ) ，b i j ( 1 ) ( 其中l 为：0 l 5 的整数，i ， j 分别为：1 i m 、1 j n 的整数) 为o 或l ，从公式( 7 ) 可看出：一个彩色图象数据 矩阵可分解为对应位二值矩阵( 矩阵中每一个元素均为0 或l 的和) ，每一个 位二值矩阵代表着所表示视频图象数据对应位具有的单位亮度的单色二值图象 乘以其对应位的权值和。可以看出1 8 位数字视频信号的作用对应着式( 7 ) 右 边所包含的1 8 个和项，那麽公式( 7 ) 表明，由v g a 卡所获得的具有6 4 级 灰度级的c r t 图象可以分别由其对应位的单位亮度的单色二值图象在时间上 叠加而成在l e d 屏上得到重现。这就是利用人眼睛在时间上分辨能力有限， 由时间混色原理来恢复对应的彩色c r t 视频图象。综合公式( 6 ) 、( 7 ) 可知， 可同时利用空间混色法和时间混色法在l e d 大屏幕上重现彩色视频图象。 根据矩阵可运算法则将矩阵公式( 7 ) 中具有相同因予2 + 0 、2 一l 、2 + + 2 、 2 + 3 、2 + 4 、2 ”5 的项分别合并起来有： 第1 8 页共7 i 页 日 8 i _ 6 6 + + g g g g + + r r r r h 黼i _ ， r g b o ：，m“ 旧 r ， 尺 一 + + jj，iji 2 h m 卅 ，jl g g h 肿，一 7 7 i _ 一 ，矿d口o i -，i 。|= 。h g r ， + 2 吧川1一 h ：l i - r r ， ，- ： 矿llk r r 旯 ilf + 掣ilil r r h _ 一 ， ， i i i_ r r i _ r旷，l旷 j l 詹 利用可编程逻辑器件设计l e d 彩色显示屏 ( 2 】式= w i ”2 。+ w 1 1 + 2 。+ w 1 2 + 2 2 + w i ”+ 2 1 + w i ”+ 2 。+ w ”2 ( 8 ) 其中w + + o 、w + + 1 、w + + 2 、w ”3 、w + + 4 、w + + 5 表示对应位位平面所组成 的像素矩阵，2 ”o 、2 + + 1 、2 + + 2 、2 。3 、2 ”4 、2 + + 5 为对应位平面的权值， 这就引出了采用位平面寻址法重现c r t 视频图象的方法。如果采用普通的时 间混色法原理来恢复彩色视频图象，在电路上实现比较困难，而且电路的成本 高，而采用位平面寻址法来实现不仅减少了电路的复杂性，节省成本，而且提 高了电路的性能。 2 6 位平面寻址法l e d 大屏幕系统总体结构概述 从v g a 卡或多媒体视频卡获得的数字视频信号对于常规的平板显示器( 如 一一 数据镇存嚣蛆 ，一 + 移位寄存嚣蛆 ， 图2 6 1 ) 采用位平面寻址进行 数字视频分配的方框图 l c d 、p d p 等) ，只要对同步信号稍加处理便可直接驱动电路。由于l e d 大 屏幕是分区驱动的，这种视频信号无法直接使用，而应该按l e d 大屏幕的分 区结构将视频数据按一定顺序写入s r a m 中，再由同步控制电路同时读出传 第1 9 页共7 1 页 型旦旦塑堡望塑堡堡堡生兰兰旦墅垒望! 墅 送到l e d 屏的驱动电路上。公式( 8 ) 表示把一场视频图象按照存储的位平面 不同分为6 场显示，由人眼的视觉平均来重现视频图象，这就引出了位平面寻 址法。图( 2 6 1 ) 是采用位平面寻址法进行数字视频分配的方框图，其中， 我们仅取其四场图像，实现1 6 级灰度。 系统采用快页切换法进行存储控制，也就是用两组s r a m 、两套地址线和 数据线轮流进行读写。这种方法的关键在于精确规定帧存储器中数据存放地址 与屏幕上像素点位置的对应关系，这些取决于写地址发生器和读地址发生器的 设计，在实际应用中，很容易通过f p g a + s i 认m 等器件灵活准确的实现。 从图( 2 6 1 ) - - j 知系统采用两组s r a m ，两组s r a m 交替读写。在写地址发 生器中，利用多媒体视频卡输出的像素时钟( p c l k ) 、行同步信号( h s y n c ) 、 场同步信号( v s y n c ) ，产生写地址及写控制信号；在读地址发生器中，根据 位平面寻址法及分区扫描原理，生成读地址及读控制信号。写地址和读地址分 别交替送s r a m l 和s r a m 2 ，控制两组s r a m 交替工作在读写状态。输入的 r 、g 、b 各4 位微机数字视频信号根据写地址写入s r a m 中的相应区域，当 s r a m 工作在读状态时，读地址控制信号被加到s r a m 上，将对应s r a m 中 的内容读出，经过锁存、移位，送大屏幕驱动电路。 写地址 屯入鼓据输入 读地址输入 双口s r a m 数据输出 图1 2 6 2 ) s r a m 读写过程示意图 像素数据的读写过程如下：将每一像素r 、g 、b 数据( 其中每一基色由 8 位组成，该系统中仅取高四位，实现各1 6 级灰度) 分成4 个位平面取数据， 第2 0 页共7 i 页 型旦旦壁堡望堡璺堡