（电路与系统专业论文）拼接式等离子显示系统dvi接口与图像处理电路的研制.pdf

摘要 拼接式等离子体显示器( t i t l es c r e e np l a s m ad i s p l a yp a n e l ，t s p d p ) 具有画面质 量高、视角宽、体积小、可无缝拼接等特点，是实现超大屏幕显示的首选器件，在 公共信息显示领域有着广泛的应用。因此，研究拼接式等离子显示技术，实现拥有 自主知识产权的画质优良、性能可靠的拼接式大屏幕彩色p d p 有着重要的现实意义。 在拼接式等离子显示系统中，显示屏和电路系统是密不可分的整体，而视频接 口电路与图像处理电路又是电路系统中的重要组成部分，它们的性能直接影响显示 的质量。因此，对视频接口与图像处理电路的研究是一个非常重要的课题。 本论文对拼接式p d p 显示系统的工作原理与电路设计进行了深入研究，并成功研 制了基于f p g a 的d g i 视频接口电路和图像处理电路。该电路可以接收计算机显卡输出 的d v i 视频信号，并依据显示屏的输出要求对其进行分割与裁剪，同时还能控制p d p 的灰度显示。在电路中利用t v e r i l o gh d l 语言实现了基于f p g a 的数字逻辑设计。 该电路已在自主研制的拼接式p d p 平台上进行了测试并取得了很好的效果。另外，对 于电路设计中所采用的技巧以及遇到的问题也都在文中作了归纳与总结。 关键词：等离子显示器拼接式p d p 图像处理d v i f p g a a b s t r a c t t i t l es c r e e r lp l a s m ad i s p l a yp a n e li sr e g a r d e d i sap r o m i s i n gl a r g es c r e e nd i s p l a yi nt h i s c e n t u r y i th a sa d v a n t a g e so fh i g hi m a g eq u a l i t y ，w i d ev i s u a la n g l e ，t h i n n e s s ，f l a t n e s sa n d e d g e l e s s t h e r ew o u l db eg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo nd e v e l o p i n gt s p d pt e c h n o l o g i e s i no u rc o u n t r y i n t e r f a c ec i r c u i ta n di m a g em a n i p u l a t i o nc i r c u i tp l a yi m p o r t a n tr o l e si nt s p d ps y s t e m t h e r ep e r f o r m a n c ew o u l dd i r e c t l yd e c i d et h eq u a l i t i e so ft s p d p d o i n gr e s e a r c ho nt h e s e a r e a si sv e r yn e c e s s a r y t h i sp a p e ri m p l e m e n t sd v ii n t e r f a c ec i r c u i ta n di m a g em a n i p u l a t i o nc i r c u i tf o rt s p d e b o t hc i r c u i t sa r eb a s e do nf p g a t h ec i r c u i t sc a nr e c e i v ed v is i g n a l sf r o mc o m p u t e ra n d p e r f o r mi m a g ep a r t i t i o na c c o r d i n gt ot h es t r u c t i l r e o ft s p d p , c o l o rd i s p l a yi sa l s o c o n t r o l l e d t h e s ec i r c u i t su t i l i z e dv e r i l o gh d lt od e s i g nf p g a t h ew h o l ec i r c u i ts y s t e m i st e s t e do nt s p d pd e s i g n e db yz h e j i a n gu n i v e r s i t ya n dh a sg r e a tp e r f o r m a n c e f i n a l l y ， s o m es k i l l sa n dm e t h o d sf o rc i r c u i td e s i g na n da d j u s t m e n ta r es u m m a r i z e d k e yw o r d s ：t s p d p ，i m a g em a n i p u l a t i o n ，d v i ，f p g a 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着社会信息化程度和数字多媒体技术的不断发展，人们对显示设备的要求也 越来越高，以拼接式显示屏为代表的高清晰度超大屏幕彩色显示系统在广场、体育 场、展览大厅等公众场所正扮演着越来越重要的角色。但是，在利用传统的阴极射 线管( c r t ，c a t h o d er a yt u b e ) 显示器进行多屏幕拼接式显示时，遇到了诸如显示器 体积庞大、电磁辐射强，拼接缝明显等难以逾越的障碍。于是，人们便开始大力发 展各类新型显示器件，如液晶显示器( l c d ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 、等离子体显 示器( p d p ，p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 、有机电致发光显示器( o l e d ，o r g a n i cl i g h t e m i t t i n gd i o d e ) 、发光二极管显示器( l e d ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 。1 等。在这些 显示设备中，彩色p d p 不但拥有极高的显示质量，还具有宽视角、体积小、全数字化 显示等诸多优点“，而拼接式p d p ( t s p d p ，t i t l es c r e e np d p ) 更具有无缝拼接，便于 扩展等优势，被认为是超大屏幕显示的首选设备之一，有着极为广阔的市场前景“1 。 因此，开展大屏幕拼接式彩色p d p 的相关技术研究，具有十分重要的现实意义。 1 2 等离子体显示器的发展与现状 等离子体显示，是利用气体放电原理实现的一种发光性平板显示技术。早在1 9 2 7 年，美国的贝尔实验室就研制出了一台面积为6 7 c m x 7 5 c m ，具有5 0 5 0 个发光单元 的气体放电装置，用来播放电视画面。1 。1 9 6 4 年，美国伊利诺斯( i i i i n o i s ) 大学的 b i t z e r 和s l o t t o w 两位教授发现：在电极和放电气体之间加入一层电解质，可以实现 第一章绪论 电容限流，并同时获得记忆效果。他们依据这个原理发明了世界上第一块等离子体 显示板，因其采用交流放电，故又称为a c - p d p 。此后，1 9 6 8 年，荷兰飞利浦公司的 波依尔发明了直流等离子体显示器( d c 一- p d p ) ，1 9 7 0 年，美国布劳斯公司成功研制出 了自扫描等离子体显示器( s s p d p ) 。它们虽然属于p d p 的早期产品，但都己达到了实 用水平。 在此后的十几年间，单色p d p 技术直在不断发展。到了8 0 年代，单色p d p 已 经成为占据主导地位的大屏幕平板显示器件，被广泛应用于公众信息显示板、手提 计算机显示器和一些军工产品上。 对彩色p d p 的研究开始于2 0 世纪7 0 年代。进入9 0 年代以后，随着彩色p d p 在提高 亮度、实现多灰度级显示、延长寿命等关键技术上取得重大突破，人们开始意识到 它的巨大市场潜力，许多公司和研究机构都投入巨资进行相关技术的开发，大屏幕 彩色p d p 也随之进入了飞速的发展期。1 9 9 3 年，日本富士通公司推出了世界上第一台 2 1 英寸，6 4 0 x 4 8 0 像素的彩色a c - p d p 电视机”，1 9 9 6 年1 1 月，富士通又率先推出了4 2 英寸的宽屏幕彩色p d p “1 ，美国的p l a s m a c o 公司、荷兰的飞利浦公司和法国的汤姆逊 公司也都在同期开发了各自的p d p 产品。近年来，随着技术的不断进步，彩色p d p 的 性能又有了很大提高，图像质量明显改善，显示面积显著增加，制造技术也日趋完 善”1 。目前，国内外许多电器公司都在进行大屏幕彩色p d p 的量产。 在等离子体显示技术的研究方面，我国虽然起步较晚，但是通过引进、消化和 吸收，发展也十分迅速。浙江大学、西安交通大学、东南大学、信息产业部第五十 五研究所等单位都相继开展了相关方面的研究并且取得了许多重大的突破。其中， 浙江大学的信息显示研究室从1 9 8 8 年就开始着手进行彩色p d p 的研究，并于1 9 9 3 年参 与了我国第一代拼接式大屏幕彩色等离子显示设备的联合开发”3 。目前，海信、厦华、 康佳、t c l 、长虹等彩电生产商都先后推出了各自的p d p 产品，有些品牌的整体质量 已经超过了同类的国外产品。 彩色等离子显示器拥有广阔的市场前景。据来自国务院发展研究中心的调查报 告，在全球大屏幕平板电视的市场上，等离子电视已经拥有了9 0 左右的市场份额， 占有绝对的优势。可以预见，随着数字电视技术的不断发展与普及，彩色p d p 必将逐 步取代传统的模拟显示设备，成为人们的首选产品。 2 第一章绪论 1 3 彩色等离子显示器的特点 与其它显示器件相比，彩色p d p 具有以下一些优点”： ( 1 ) 厚度薄、重量轻 p d p 的最大特点就是“轻、薄”。它利用像素发光显示的技术，大大降低了设备 对空间的要求。大多数等离子显示器的厚度小于l o c m ，重量则只有十几公斤，可以 随意地将其摆放在任意位置。 ( 2 ) 超宽视角 彩色p d p 可以提供超过1 6 0 度的观看视角，这是目前所有显示器中最大的，因此 它特别适用于公共场所的信息显示。 ( 3 ) 亮度均匀、图像无扭曲 p d p 依靠均匀分布且结构相同的放电单元的发光来显示图像，屏幕的亮度非常均 匀，并且即便在显示屏的边缘，图像也不会发生扭曲畸变。 ( 4 ) 高亮度、高对比度 目前，彩色p d p 的对比度最高可以达n 1 0 0 0 ：1 ，亮度也可达至u 8 0 0 尼特( c d m 2 ) ， 优于传统的c r t 显示器。即便是在户外的强光下也可以通过p d p 欣赏高清晰的电视节 目。 ( 5 ) 可实现全彩色显示 彩色p d p 可实现2 5 6 级灰度，能显示1 6 7 7 万种颜色，具有良好的彩色再现性。 ( 6 ) 具有高速响应特性 p d p 显示器采用气体放电发光，具备了高速的响应特性，能在极短的时间内刷新 所显示的图像，这将有助于精确地显示运动图像。 ( 7 ) 防电磁干扰 与c r t 显示器不同，p d p 在工作时不需要借助于电磁场来自外界的电磁干扰并 不会影响p d p 的正常工作。 ( 8 ) 低辐射 p d p 的电磁辐射几乎可以忽略不计，即使长时间观看也不会损害人体健康。 第一章绪论 ( 9 ) 寿命长 等离子显示设备具有极长的使用寿命。目前，彩色p d p 的寿命可以达到3 万小 时以上。 ( 1 0 ) 工作于全数字化模式 p d p 采用了数字化技术进行驱动控制，提高了图像色彩的质量和稳定性，满足了 高清晰度数字电视的要求。 1 4 超大屏幕显示技术的发展与现状 1 4 1 超大屏幕显示技术简介 通常人们将对角线长度超过1 0 0 英寸的显示设备称为超大屏幕显示器。如今，各 类超大屏幕显示设备已经被广泛应用于各种公众场所，如广场、运动场、舞台等。 常见的超大屏幕显示系统主要有以下三类： ( 1 ) 投影显示 投影显示是指利用光学系统和投影空间把平面图像放大并显示在屏幕上的方法 或装置，根据投影方式的不同又可分为正投式显示和背投式显示。 目前使用最广泛的是正投式显示，即观众与投影机同处一侧，面向屏幕观看。 这种方式的优点是使用灵活方便且设备占用空间极小，但是外界的光线会经屏幕反 射从而影响观看的效果，因此它通常只适合于在室内使用。 背投式显示则将投影机放置于屏幕的背面。采用这种方式可以减轻外界光线对 观看造成的影响，但它需要占用较大的空间，在图像的亮度和清晰度上也比正投式 显示略有降低。 ( 2 ) 发光二极管( l e d ) 显示器 l e d 是一种电一光转换型器件，利用电子与空穴的带间跃迁进行发光，具有工作 电压低、性能稳定、使用寿命长等优点。目前，大屏幕l 即已经得到了非常广泛的应 4 第一章绪论 ( 9 ) 寿命长 等离子显示设备县有极长的使用寿命。目前，彩色p d p 的寿命可以达到3 万小 时以上。 ( 10 ) 工作于全数字化模式 p d ? 采用了数字化技术进行驱动控制，提高了图像色彩的质量和稳定性，满足了 高清晰度数字电视的要求。 1 4 超大屏幕显示技术的发展与现状 1 4 1 超大屏幕显示技术简介 通常人们将对角线长度超过1 0 0 英寸的显示设备称为超大屏幕显示器。如今，备 类超太屏幕显示设备已经被广泛应用于备种公众场所，如广场、运动场、舞台等。 常见的超大屏幕显示系统主要有以下三类： ( 1 ) 投影显示 投影显示是指利用光学系统和投影空间把平面图像放大并显示在屏幕上的方法 或装置，根据投影方式的不同又可分为正投式显示和背投式显示。 目前使用最广泛的是正投式显示，即观众与投影机同处一侧面向屏幕观看。 这种方式的优点是使用灵活方便且设备占用空间极小，但是外界的光线会经屏幂反 射从而影响观看的效果，因此它通常只适合于在室内使用。 背投式显示则将投影机放置于屏幕的背面。采用这种方式可以减轻外界，七线对 观看造成的影响，但它需要占用较大的空间，在图像的亮度和清晰度上也比正投式 显示略有降低。 ( 2 ) 发光二极管( l e d ) 显示器 l e d 是一种电一光转换型器件，利用电子与空穴的带间跃迁进行发光，具有工作 电压低、性能稳定、使用寿命长等优点。目前，大屏幕l e d 已经得到了非常广泛的应 电压低、性能稳定、使用寿命长等优点。目前，大屏幕l e d 已经得n t 非常广泛的应 4 第一章绪论 用。但是同其他显示设备相比，l e d 的像点较粗，色彩也不够丰富，因此通常只适合 显示简单的图文信息。 ( 3 ) 拼接式大屏幕显示 将许多单元屏幕以矩阵的形式拼接在一起，用于显示完整的图像，这种拼接式 显示方式又称为电视墙。在目前的拼接式大屏幕显示中，采用最多的技术是c r t 和 l c d 。 c r t 和l c d 都具有出色的显示效果，但作为拼接式大屏幕的模块显示屏，它们都 存在一个很大的缺陷，即由于制造工艺的限制，在每个子屏幕的周围都会有一定厚 度的边框，即通常所说的显示死区。这样，相邻的子屏幕之间便会不可避免地出现 明显的拼接缝，导致完整的画面被子屏幕间的拼接线分割成若干个几何块，严重地 影响了视觉效果。另外，c r t 显示器体积庞大、功耗较高，同时也会产生较大的电磁 辐射而l c d 贝t l 存在响应时间慢、可视范围小等缺点，而且它的显示效果容易受到外 界光线的干扰。 1 4 2 拼接式p d p 的发展 与传统的大屏幕显示技术相比，拼接式彩色p d p 不但继承了p d p 显示效果好、视 角宽、低辐射等诸多优点，而且克服t c r t 或l c d d 邑视墙拼接感明显的弊端。模块式 p d p 可以做到无缝拼接，因此也具有普通电视墙所不能比拟的显示效果。 拼接式等离子显示技术作为a c - p d p 技术的一种，发展速度很快：1 9 8 2 年，美国 的t e l e g e n i x 公司设计出了拼接式的单色p d p ，分辨率约为2 5 线米，1 9 8 3 年，日本三 菱电机公司研制出分辨率为1 3 8 线米的拼接式单色p d p 。1 9 9 5 年，j s cp l a s m a 公司研 制出了模块数为2 1 1 7 的彩色拼接式等离子体显示屏。同期，三菱公司也开发出了 模块数为1 6 x 1 2 的拼接式彩色p d p 。”。目前，韩国m o r i o n 公司已经推出了比较成熟 的高清晰拼接式p d p 显示器并开始进入市场”。 尽管拼接式p d p 技术具有许多优势，但是相比于其它的大屏幕显示技术，拼接式 p d p 的发展起步较晚，因此设备的成本还比较高。功耗也相对较大在分辨率和发光 5 第一章绪论 效率上也有待提高。因此，对拼接式彩色p d p 进行深入研究是十分有意义的。 1 5 本文的研究内容 一个完整的拼接式显示系统通常包括视频接口电路、图像处理电路j 驱动电路 和显示设备这几大部分。其中，视频接口与图像处理电路的设计是p d p 显示系统中非 常重要的环节，高性能的接口和图像处理电路可以使显示系统具有很强的扩展能力、 优秀的驱动性能和出色的画面质量。为此，本课题在d v i 视频接口、拼接式图像处理 以及p d p 昀灰度显示等方面进行了深入研究，并成功研制出了可用于大屏幕拼接式 p d p 显示系统的d v i 视频接口电路与图像处理电路。 本课题的具体工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析彩色p d p 的基本结构与工作原理，设计电路系统的硬件结构以及针对拼 接式彩色p d p 的图像分割与灰度控制策略。 ( 2 ) 研制基于f p g a 的d v i 视频接口电路。该电路可以接收计算机显卡输出的d v i 视频信号，并通过f p g a 及f i f o 对输入的视频流进行缓冲、裁剪等传输预处理。 ( 3 ) 研制基于f p g a 的拼接式p d p 图像处理电路。该电路可以接收来自视频接口电 路的数据信号，并通过f p g a 与s r a m 实现对原始图像的按需分割以及对多子场灰度显 示的控制。 6 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 2 1 彩色p d p 的基本结构和工作原理 2 1 1 p d p 的定义与分类 p d p 是所有利用气体放电而发光的平板显示器件的总称。它利用加在屏内的阴极 和阳极间的一定的电压使气体产生辉光放电。单色p d p 通常直接利用气体放电时发出 的可见光进行显示，其放电气体一般选择氖气( n e ) ：彩色p d p 贝f 通过气体放电发出的 真空紫外线照射红、绿、蓝三基色荧光粉，使荧光粉发光来实现彩色显示，其放电 气体一般选择含氙( x e ) 的稀有混合气体。 彩色p d p 根据结构和工作方式的不同，主要可分为电极与气体相隔离的交流型 ( a c - p d p ) 和电极与气体直接接触的直流型( d c p d p ) 两大类。 直流型p d p i 作时，在电极之间施加单向脉冲信号，引起气体放电并激发荧光粉 发光。它的优点是对比度高、色彩好，相应的驱动电路也比较简单。但是d c p d p 的 亮度较低，而且电极直接与气体接触容易受到带电粒子的轰击而老化，器件的使用 寿命相对较短，因此在实际中应用不多。 交流型p d p 的电极上覆盖有一层介质，电极不与气体直接接触，从而有效地延 长了器件的使用寿命。a c - p d p 进行气体放电时，产生的e 、负粒子会在电场作用下 分别向两个电极运动并积累在电介质的表面形成壁电荷，使显示屏具有一定的记忆 效应。目前大多数p d p 均采用交流型结构。 a c p d p 按电极结构的不同又可分为对向放电型“”和表面放电型。7 1 两种。对向放 电型p d p 的结构如图2 - 1 - 1 所示，两组电极分别制作在前后基扳上且相互正交，在 7 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 每一个交叉点构成一个放电单元，维持放电在前后基板间进行“。它的优点是极间电 容小，易于提高分辨率。表面放电型p d p 通常采用三电极结构，将透明电极和汇流 电极制作在前基板上，而寻址电极制作在后基板上并与之正交，它们的交叉区域就 形成了放电单元。它的优点是亮度高，寿命长。 可见光 气体放电空间 x 电极 极 图2 - 1 - 1 对向放电型a c - p d p 的基本结构 2 1 2 a c - p d p 的工作原理 这里以对向放电型p d p 为例介绍彩色a c p d p 的工作原理。 对向放电型a c - p d p 根据工作方式的不同可分为存储型和刷新型两大类。存储型 a c - p d p 的放电过程在两组电极之间进行。根据气体放电的特性，当加在放电单元上 的极间电压超过某一个值时，该放电单元内的气体便会开始放电发光，通常将这个 值称为着火电压( v f ) 。因此，要使某像点发光，先要在该像点对应的电极间产生一个 幅度大于v f 的书写脉冲( v ”) ，这时选定的单元便会开始放电，放电形成的正、负粒 子在外电场的作用下分别向阴极和阳极移动，并在电极表面涂覆的介质层上积累形 成壁电荷，其方向与外加电压方向相反。这时，加在放电单元上的总电压是外加电 压与壁电压的叠加，当壁电压逐渐增加使总电压低于维持电压的下限时，放电就会 停止。这时可将外加电压反向，此时的外电压方向与前次放电所积累的壁电荷方向 8 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 一致，它们叠加后的总电压大于v f ，气体又开始放电发光。因此，放电单元一旦开 始放电，只要旄加较小幅度的维持脉冲就能对放电进行维持，这就是a c p d p 所具有 的存储特性。 施加在维持型a c - p d p 两组电极之间的驱动波形如图2 - i 一2 所示。 v 书写脉冲 雏持脉冲 厂广 。 uu ； 维持脉冲雏持脉冲 图2 - i 一2 维持型对向放电a c p d p 的驱动波形 刷新型a c p d p 的驱动方式相对简单。它不需要专门的书写、维持与擦除信号， 丽是采用逐行扫描的方法进行显示。刷新型p d p 的驱动波形如图2 一卜3 所示，当扫 描到需要点亮的行时，由驱动电路生成的行扫描脉冲和列锁存脉冲共同作用，在需 要发光的像点处产生2 4 个高压激励脉冲信号，使气体放电发光。由于刷新型p d p 不具有存储特性，它的显示亮度和色彩表现力就受到了一定影响。 卜- 行扫描时姗一 司n n 厂一 图2 - i 一3 刷新型对向放电a c p d p 的驱动波形 由于刷新型a c p d p 的驱动电路设计相对容易，在本课题中就使用了刷新型对 向放电彩色p d p 作为实验样机的模块式拼接屏。不同的p d p 显示屏对于前端接口与 9 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 信号处理电路的需求并没有本质区别，因此本课题所研制的视频接口电路和图像处 理电路具有兼容性，能够适应各种类型的p d p 显示终端。 2 2 彩色a c - p d p 的灰度显示 传统的c r t 显示器中，实现灰度显示主要依靠改变电子束的电流强弱；在l c d 显 示器中则是采用脉宽调制的方法。而a c p d p 币i j 用气体放电发光，每个像素点的状态 只有“亮”或“不亮”两种，而且每次放电过程只在瞬间完成，所以难以采用调制 脉冲宽度或控制放电强度的办法来调节彩色p d p 的显示灰度。 对于彩色a c - p d p ，通过入眼的视觉暂留效应来实现灰度显示是最合适的。通常 情况下，入眼对于光线的亮度感觉有一个短暂的过渡过程。即使当光照停止后，这 种亮度感觉也不会立即消失，而是按近似指数函数的规律逐渐减小。这种视觉特性 被称为视觉暂留嗍。因此，当人眼受到高频率的光脉冲照射时，并不会产生明显的闪 烁感。这时，人眼对发光点产生的获度感觉是由发光脉冲的频率与脉宽决定的。在 极短的时间内，发光脉冲的个数越多，人眼所感觉到的亮度也就越高。彩色a c p d p 的灰度显示就利用了这一特性，因为p d p 的激励脉冲频率很高( 通常在几十到几千赫 兹的范围内) ，而每次放电就会产生一个光脉冲。所以可以利用调节激励脉冲个数 的方法来实现彩色a c - p d p 的灰度显示。 本文所研制的p d p 图像处理电路就采用了基于上述原理的多子场技术“”来实现 灰度显示，其基本显示过程如图2 2 一l 所示。在计算机中，通常分别用八位的二进制 数来表示红、绿、蓝三种基色的灰度值。与之相对应，可将每一帧的显示时间划分 为8 个子场，分别对应于色彩灰度值中从低到高的八位数据，而这八个子场的持续时 间也成l ：2 ：4 ：8 ：1 6 ：3 2 ：6 4 ：1 2 8 的关系。这样，权值最高的位所占用的维持显示时间 最长，权值最低的位维持显示时间最短。举例来说，如果某个像点的灰度级为1 4 7 ， 转换成二进制数就是i 0 0 1 0 0 1 1 ，则该像点将在第1 、2 、5 、8 这四个子场被点亮，若 像点的灰度值为1 i 1 1 1 1 1 1 ，则该像点在所有的子场都将被点亮，所显示的亮度也达 到最大值。采用这种方法，在一帧的显示时间内，加在一个像点上的维持脉冲个数 1 0 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 行扫描 信号 i 第一子场 第二子场 l 第三子场 括一( 青一十单位吲 一( 音二十单位_ 爿( 音四个萃位 第八子场叫 ： 量示时向) ：量示时闻)：墨示时问)： 删。圳圳。圳删 i i： i i 一一帧( 含若干子场) = 爿 图2 2 1 通过多子场原理实现彩色p d p 灰度显示示意图 就正好与该像点的灰度值成正比，像点的色彩灰度值也就能准确地被人眼所感知。 在实际电路的研制中，由于作为样机的刷新式p d p 显示屏限制了每个子场的维持 时间长度，为了保证显示屏的刷新频率不致过低，在显示子场的控制上作了一些处 理。关于这些处理技巧将在第4 3 节中作详细说明。 需要指出的是，这种把一帧图像分成若干个子场以实现灰度显示的方法对于静 态画面有很好的效果，但是在显示运动图像时，会造成不同子场的信息相互叠加干 扰，形成动态假轮廓，影响图像质量。在实际使用中，往往把占用显示时间较多的 几个子场拆分成若干较小的子场，并且对各子场的先后显示顺序进行重新排列，通 过减小图像移动时相邻两场的视觉叠加来克服动态假轮廓， 2 3 拼接式p d p 测试平台介绍 本课题所采用的拼接式p d p 测试平台使用了浙江大学应用物理研究所研制的刷 新型模块拼接式a c - p d p 。它由两块相隔1 5 0 u m ，厚2 m m 的玻璃基板组成，模块尺寸 为2 0 0 m m x 2 5 0 r a m ，分辨率可达2 5 6 线米”1 。每一块单元屏可以显示5 2 行，每行中 又包含6 4 组r 、g 、b 像点。该屏的像点宽度为2 7 1 m m ，像点的间距为3 9 m m 。工作 时，在行、列驱动信号上施加2 2 0 v 左右的激励脉冲便可进行发光显示。经测试，该 模块式p d p 的对比度可达2 0 0 ：l ，亮度为4 0 0 c d m * ，在自然散热条件下，播放动态 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 图像时的电路功耗约为5 0 0 w m 2 ，工作稳定可靠。 对拼接式p d p 显示电路进行测试时，采用1 2 块模块式p d p 拼接成3 4 的显示 阵列，即包含3 个纵向分区，每个分区由四块显示板通过横向串接构成。该测试平 台的总面积为0 6 m 2 ，可显示的像素数为2 5 6 x1 5 6 。 该拼接式p d p 显示控制系统的设计要求为：通过d v i 接口，可支持分辨率为 8 0 0 6 0 0 或6 4 0 x 4 8 0 的视频输入信号，输出的分辨率为6 4 0 x 4 6 8 ( 即可支持拼接 规模为i 0 9 的p d p 显示屏) ，可显示的色彩灰度为i 6 级。 2 4 拼接式p d p 显示系统的总体硬件框图 本文所设计的拼接式p d p 显示系统在电路结构上可分为以下三大部分：视频接 口电路、图像处理电路和驱动控制电路。电路的总体结构如图2 - 4 - 1 所示。 r 7 ：0 】 通道l 通道2 驱动控制 计 d v i g 1 7 ：0 i 图像处理电路与拼 算 数字视频信号一 接口 机 电路 b 7 ：0 1电路 通道n接式彩色 p d p 时钟及同步信号时钟及同步信号 图2 - 4 - i 拼接式彩色p d p 显示系统的电路结构图 ( i ) 视频接口电路 视频接口电路的功能是从计算机、影碟机等节目源接收特定格式的图像信号， 如数字视频接口( d i g i t a lv i s u a ls i g n a l ，d v i ) 信号、模拟的视频+ 图形一阵列 ( v i d e o - g r a p h i c s a r r a y ，v g a ) 信号、超级视频( s - v i d e o ) 信号等脚1 ，并将输入 信号转换成便于p d p 显示的数字图像格式。本课题所研制的d v i 数字视频接口电路 可以完成对d v i 信号的接收处理，它通过专用的d v i 连接器与计算机的显示卡相连， 对显卡提供的d v i 信号进行解调与解码，并通过f p 6 a 和f i f o 对输入的图像信息进 2 第二章拼接式彩色p d p 的工作原理 行缓冲及降频。接口电路输出的r 、g 、b 像素数据，时钟和行、场同步信号均通过 r s 4 2 2 差分传输的方式发送至图像处理电路。 ( 2 ) 图像处理电路 图像处理电路是拼接式p d p 显示系统中对图像数据迸行数字处理的部分，其主要 功能包括了对输入数据的转换与存储，按照拼接式p d p 的结构对图像进行分割，实现 对显示子场的划分与控制，并向驱动电路传送显示数据。同时，该电路还要为驱动 电路提供子场控制、扫描同步等相关逻辑控制信号。 ( 3 ) 驱动控制与显示电路 驱动与显示电路按定的逻辑控制时序，通过合适的驱动器件和高压开关产生 用以点亮显示屏的高压驱动波形，并完成对p d p 的逐行扫描等操作。 本章小结 本章首先分析t p d p 的基本结构及工作原理，接着论述了a c p d p 的灰度显示方 法基于视觉暂留效应的多子场显示技术。本章说明了拼接式p d p 显示系统的设计 要求，并对其测试平台进行了介绍。在此基础上，文章分析了拼接式彩色p d p 显示系 统的设计思路与基本硬件结构，并对各部分电路的功能与设计要点作了说明。 1 3 第三章d v i 视频接口电路的研制 第三章d v i 视频接口电路的研制 3 1 计算机视频接口简介 目前，大多数计算机与外部显示设备之间都是通过模拟的v g a 接口或数字的d v i 视频接口来连接的。下面就分别对这两种接口作简要介绍。 3 1 iv g a 接口 v g a 接口是i b m 公司在1 9 8 7 年首先开发的8 “，可以支持分辨率为6 4 0 x 4 8 0 像素的 1 6 位色彩显示。此后不久，在v g a 的基础上产生了能支持8 0 0 x 6 0 0 分辨率的超v g a ( s v g a ) ，然后又产生了具有1 0 2 4 x 7 6 8 像素的x g a 。”。视频电子学标准化协会( v e s a ) 最终将这些模式标准化，使之成为计算机显示口的基本标准。 然而，v g a 是为模拟显示设备而设计的。计算机p q 部以数字方式生成的图像信息 要先被显卡中的d a 转换器转变为模拟视频信号，然后再通过电缆传输到显示设备 中。对于c r t 等模拟显示设备，这些信号可以被直接送到相应的驱动处理电路控制显 像管生成图像，而对于p d p 这样的数字显示设各，则必须先对输入信号进行a d 转换， 将模拟视频信号还原成数字信号，同时还要对输入数据进行校正，才能得到适合p d p 像素特性的灰度信号。经过这一系列中间环节的转换，加上在模拟传输中不可避免 的噪声干扰，会造成一些图像细节的丢失。所以，传统的模拟视频接口难以提供高 分辨率的图像信息，这也在一定程度上制约了高清晰度数字显示设备的发展。 1 4 第三章d v i 视频接口电路的研制 3 1 2 d v i 接口 以p d p 为代表的数字显示技术的发展，对数字视频接口提出了迫切要求，d v i 接 口就是在这种趋势下诞生的。d v i 是由i n t e l 、s i l i c o ni m a g e 、c o m p a q 、f u j i t s u 、 h p 、i b m 、n e c 等公司合作提出的一种新型数字视频接口标准”，目前已经为业界所 普遍接受。这种接口很好地解决了数字设备的信号接入问题，它在兼容v g a 接口的同 时，还能提供比v g a 高得多的显示分辨率。因此，d v i 是目前最具发展前途的计算机 视频接口标准。 与v g a 相比，d v i 接口具有很多优点。首先，它保证了显示图像都是以数字格式 传送的，并且能提供强大的数据传输率，这也意味着它可以在传输期闻最大限度地 保证数据完整性，使用户可以看到最清晰的图像。此外，d v l 支持即插即用功能，在 系统启动时，主机可以通过连接器中的显示数据通道( d d c ) 访问显示设备以获得显示 器对像素格式的支持信息。制造者还可以在产品中固化特定的d d c 信息。并结合计算 机操作系统进行识别，以达到保护知识产权的目的。 对于p d p 这样的数字显示设备，采用i ) v i 接口不但可以大幅度提高显示画面的质 量，还能简化接口电路的设计，并降低系统开发、测试与制造的费用。可以预见， 随着数字显示技术的进一步发展，d v i 接口必将逐步取代传统的v g a 连接器。 3 1 3d v i 的工作原理 d v i 技术的核心是s i l i c o ni m a g e 公司所提出的屏一连接( p a n e l l i n k ) 协议，即使 用转换最小化差分信号( t r a n s i t i o nm i n i m i z e dd i f f e r e n t i a ls i g n a l ，t m d s ) 将数 据高速地传送到显示设备中。t m d s 采用布尔异或的编码算法，将长度为8 b i t 的像点灰 度信息转换成l o b i t 的跃变最小化信号进行传输，这样可以削弱在传输过程中的交叉 电磁干扰。另外，它还可以为接收端提供时钟恢复信号，并允许信号在传输时产生 一定限度的抖动误差。d v i 接口可提供高达1 6 5 g b i t s 的传输数据率，这也保证了它 1 5 第三章d v i 视频接口电路的研制 有能力为目前任何一种数字显示器提供高分辨率的视频信号。因此，d v i 逐渐成为了 业界最具前途的接臼规范。 d v i 接口的逻辑结构如图3 一卜1 所示。d v i 连接器工作时，首先通过d d c 通道获取 显示器的相关支持信息，并根据用户提出的显示要求，如屏幕的分辨率、色深、刷 新率等，确定t m d s 的工作模式。随后，位于发送端的图形控制器将像素信息和控制 信号交给t m d s 信号发送器。在每个d v i 连接器中都提供了两条t m i ) s 链，其中每条链路 都含有三组差分数据通道，分别用于传送红、绿、蓝三种基色的灰度信息。每个链 路在工作时都可以提供1 6 5 m h z 的最大带宽。同时，d v i 还使用专门的时钟通道为接收 端提供准确的时钟恢复信号。接收端的t m d s 接收器负责对接收到的差分数据进行解 码与解调，并将恢复出的数据信号提交给显示控制器。 t 数据通道0 t m 数据通道1 m d 数据通道2 。 d 卜 图形控 像素数据： s s 像素数据： y 信 时钟通道 信 y 显示控 制器 hh 制器 控制信号： 号 数据通道3 号 控制信号： y 发接 r 送数据通道4 收 器 数据通道5 器 图3 - i - id v i 接口的逻辑链路结构 3 2 d v i 接口电路的整体设计 d v i 视频接口电路的基本功能是：通过d v i 连接器接收计算机显卡输出的图像数 据，对接收到的信号进行解调与解码等处理，并将恢复后的数据和控制信号阻适当 的格式和速度传递给图像处理电路。该电路的硬件框图如图3 2 1 所示。d v i 视频接 口电路通过t m d s 连接器接收视频信号，并使用一片存储了特定信息的e e p r o m 向计算 机提供必要的启动信息。t m d s 连接器将接收到的以差分形式传输的数据信号( r x i + 、 1 6 第三章d v i 视频接口电路的研制 r x l 一、r x 2 + 、r x 2 一、r x 3 + 、r x 3 一) 与时钟信号( r x c + 、r x c - ) 送给专用的d v i 信号处 理芯片s i l1 4 1 b ，并由后者完成对d v i 信号的解调与解码。电路中的f p g a 根据同步时 钟( d c k ) 从s i l1 4 1 b 中读取恢复后的红、绿、蓝三基色灰度信息和场同步信号( v s y n c ) 、 行同步信号( h s y n c ) 、数据时能信号( d e ) 等控制信息。另外，由于在向图像处理 电路传送数据前需要对数据的传输速率进行调整，在接口电路中还使用了一组f i f o 以实现对帧数据的缓冲与裁剪。对f i f o 的读、写、使能、复位等操作也是通过f p g a 实现的。处理好的数据通过r s 4 2 2 协议送往后接的图像处理电路。 图3 2 1d v i 接口电路硬件框图 3 3 基于f p g a 的电路设计 3 3 1f p g a 简介 在本课题所研制的视频接口电路与图像处理电路中，f p g a 都起到了至关重要的 作用。f p g a 是在复杂可编程器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) 的 基础上发展起来的一种高密度、大容量、可以重复编程的高性能可编程逻辑器件。 1 7 第三章d v i 视频接口电路的研制 它作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足， 又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，具有逻辑资源丰富、开发周期短、 费用低、可靠性高、能实时在线检测等诸多优点，被广泛应用在各类数字产品的原 型设计和生产中“”1 。 目前，大多数f p g a 所使用的是s r a m 工艺，也有一些产品采用的是f l a s h 工艺或反 熔丝工艺。一般来说，f p g a 由若干输入输出单元( i o e ) 、逻辑单元( l e ) 、以及连 接各f o e 和l e 的综合布线资源等构成。不少性能优越的f p g a 还集成了锁相环、时钟管 理模块、硬件乘法器以及内嚣存储器等，使得f p g a 的使用更为方便，功能也更强大。 在选择f p g a 时，要着重考虑其逻辑容量、引脚数、价格以及配套的e d a 开发工具 等因素。目前，f p g a 的主要供应商有a l t e r a 、x i l i n x 、l a t t i c e 等，不同厂家的f p g a 在器件的结构、性能以及开发工具的成熟度上都有所差别。在本课题中，使用了 a l t e r a 公司的e p f 6 0 2 4 a q c 2 0 8 2 ( 属于f l e x6 0 0 0 系列) 进行系统的设计。 f l e x6 0 0 0 系列的f p g a 采用了可编程的交织式门阵列，适合于大容量设计，而且 成本相对较低。它的基本结构如图3 - 3 一l 所示。在f l e x6 0 0 0 器件中，每个逻辑单元 都包含一个四输入查找表，一个寄存器以及作为进位链和级联链功能的专用通道， 图3 3 1f l e x6 0 0 0 型f p g a 的基本结构 1 8 第三章d v i 视频接口电路的研制 每十个l e 组成一个逻辑阵列块( l a b ) 。该器件提供了1 6 0 0 2 5 0 0 个可用门，1 3 2 0 1 9 6 0 个l e 以及1 1 7 2 1 8 个用户i o l 脚。同时，在f l e x6 0 0 0 器件中还带有可重构的s r a m 单 元，并能实现在线重新配置以及多电压i o 操作，使得设计更为灵活方便。 3 3 2f p g a 的设计开发流程 一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、时序 仿真和下板调试等主要步骤，这些步骤都需要相应的e d a i 具支持。在本文所设计的 电路中使用了a l t e r a 公司的f p g a ，所以相应的f p g a 设计开发环境就选用了a l t e r a 提 供的q u a r t u si i3 0 。 q u a r t u s 支持的设计输入方式有电路原理图和硬件描述语言( h a r d a r ed e s c r i b e l a n g u a g e ，h d l ) 。硬件描述语言是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。 利用这种语言，可以设计一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字逻辑系统，使 得数字电路的设计难度大大降低。就f p g a 开发而言，比较流行的h d l 有v e r i l o gh d l 、 v h d l 、s y s t e m c 和a h d l 等。”，其中v h d l 和v e r i l o gh d l 作为i e e e 的标准，使用最为广 泛。v e r i l o gh d l 是在1 9 8 3 年由g d a 公司的p h i lm o o r b y 首创的，相对于其它硬件描述 语言，它的设计更为直观，e d a i 具的支持也最好。”侧