（电路与系统专业论文）基于CPLD的LED显示屏同步控制系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文基于c p l d 的l e d 豆示屏同懒荡楚黼 摘要 自9 0 年代以来，l e d 显示屏的设计制造和应用水平得到日益提高，l e d 显示屏经历 了从单色双色图文显示屏，到图像显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。 在此发展过程中，无论在器件的性能( 超高亮度l e d 显示屏及蓝色发光二极管等) 和系统组 成( 计算机化的全动态显示系统) 等方面都取得了长足的进步。 l e d 显示屏相比与其它的平板显示器，有其独特的优越性，比如：可靠性高，使用寿 命长，环境适应能力强、性价比高且成本低等特点，且随着全彩屏显示技术的日益完善，使 得l e d 显示屏在许多领域得到广泛的应用。 本文详细介绍了实现2 5 6 级灰度的l e d 图像显示屏控制系统的设计原理。通过 对等长时间实现2 5 6 级灰度方案的分析，得到此方案在系统速度和显示屏的亮度上存在的局 限，提出采用变长时间和消影时间相结合的方案实现2 5 6 级灰度的方案及实现，这是在提高 硬件成本以获得成本，速度和亮度的折中。在此基础上，分析现有技术实现动态全彩色l e d 显示屏的局限，对一些可以提高l e d 显示屏系统技术的新技术展开讨论，为今后的动态全 彩色l e d 显示屏具体实现打下坚实的理论基础。 关键词：l e d 显示屏同步控制系统占空比灰度f p g a地址映射和结构重组 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 a b s t r a c t l e dp a n e ls y s t e mg a i n sr a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ed e s i g n ，m a c h i n ea n da p p l i c a t i o nf r o m n i n e t i e sa g e s i tw e n tt h r o u g hf r o ms i n g l ec o l o ra n dt w oc o l o r st oi m a g el e dp a n e l n o wa l lc o l o r p a n e lh a sc o m et h r o u g h d u r i n gt h ed e v e l o p m e n tc o u r s e ，i to b t a i n sq u i e tg r e a tp r o g r e s si np a r t s c a p a b i l i t y ( s u p e rh i g hb r i g h tl e dp a n e la n db l u el e d ) a n ds y s t e mf o r m ( c o m p u t e r i z e da l ld y n a m i c d i s p l a ys y s t e m ) c o m p a r e dw i t hf l a td i s p l a y ，l e dp a n e lh a sm a n ys p e c i a lf e a t u r es u c ha sh i g hr e l i a b i l i t y ， l o n ga g e ，h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s t ，a n dm o r ei m p o r t a n th i g ha c c l i m a t i z a t i o n m o r e o v e rw i t h t h et e c h n i q u eo f a l lc o l o rp a n e lp e r f e c t e di n c r e a s i n g l y ，l e dp a n e li sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fl e dp a n e lw i t h2 5 6g r a y g r a d e i t a n a l y z e sf e a s i b i l i t yo fc o m i n gt r u e2 5 6g r a y g r a d ew i t he q u a l t i m et h e o r y ，a n dg e t sd e f i c i e n c i e si n s y s t e ms p e e da n dd i s p l a ye f f i c i e n c y a sar e s u l t ，i tb r i n g sf o r w a r dan e ws c h e m eo fa l t e r a b l et i m e a n db l a n kt i m e i ti n c r e a s e sh a r d w a r ec o s ti no r d e rt oh a r m o n i z ec o s 4s p e e da n db r i g h t n e s s i nt h e b a s e ，i ta n a l y z e sl a c k so f r e a l i z i n gd y n a m i ca l l c o l o rp a n e lw i t hc u r r e n tt e c h n o l o g ya n dd i s c u s s e s r i s i n gt e c h n o l o g y i te s t a b l i s ht h e o r yb a s ef o rc a r r y i n go u t k e y w o r d ：l e dp a n e lg r a y - g r a d es y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m o c c u p a t i o nr a t e b r i g h t n e s s f p g a a d d r e s sm a p p i n ga n ds t r u c t u r er e f o r m 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：耋：2 塑! 塾 导师签名： j 日期：塑! 呈：三9 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 第一章前言 1 1 l e d 显示屏的发展历史和应用 l e d 显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏【。由于它 具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等特点， 自2 0 世纪8 0 年代后期开始，随着l e d 制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。 在我国改革开放之后，特别是进入9 0 年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求 日益强烈，l e d 显示屏的出现正好适应了这一市场形式，因而在l e d 显示屏的设计制造和 应用水平上都得到了迅速的提高。l e d 显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图像显 示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在器件的性能( 超高亮度l e d 显 示器及蓝色发光灯等) 和系统组成( 计算机化的全动态显示系统) 等方面都取得了长足的进 步我国l e d 显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当 发展潜力的产业。 1 2l e d 器件的理论基础 1 1 人眼对不同颜色光线的敏感程度不同，人眼对颜色的感觉来源于视网膜上三种不同类型 的视锥细胞。不同的视锥细胞对不同的颜色敏感，它们的视敏曲线表示在图1 1 1 上，分别 为r s ( 入) 、gs ( 入) 、bs ( 入) ，即三种视锥细胞分别对红，绿、蓝三色最敏感。三 种细胞的共同作用下，就可以得到人对颜色的总体感觉。根据对人眼的研究，可知用r ，g 、b 三基色的不同比例，可以合成不同的颜色。三种颜色不同比例的混合就能发出从白到黑 的各种颜色的光。这就是l e d 显示屏为什么以r ，g 、b 为三基色。 1 0 0 5 0 i 绿产熨 l 口向应 y 、 红视锥细胞响五芝 蓝视锥!：用晌口向商 j ，_ 、 j ll j 。1 0 1 j ，二 i 卜 7 一 、 。 4 0 05 0 0 6 0 0 图1 1 - l 视锥细胞视敏函数曲线 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 人眼的亮度感觉不会因光源的消失而立即消失，要有一个延迟时间，这就是视觉惰性。 视觉惰性可以理解为光线对人眼的作用、传输、处理等过程都需要时间，因而使视觉具有一 定的低通特性。实验表明，当外界光源突然消失时，人眼的亮度感觉是按指数规律逐渐减小 的。这样当一个电源反复通断，在通断频率较低时，人眼可以发现亮度的变化：而通断频率 增高时，视觉就逐渐不能发现相应的亮度变化了。不至于引起闪烁感觉的最低反复通断频率， 称为临界闪烁频率。通过实验证明临界闪烁频率大约为2 4 h z 。实际l e d 屏的刷新频率要比 2 4 h z 高的多，刷新频率越高，画面质量越好，但刷新频率越高，对屏体背后的驱动电路和 控制电路的要求也越高。 视觉惰性可以说是l e d 显示屏得以广泛应用的基础。首先，在l e d 显示屏中可以利 用视觉惰性。改善驱动电路的设计，形成了目前广为采用的扫描驱动方式。扫描驱动方式的 优点在于l e d 显示屏不必对每个发光灯提供单独的驱动电路，而是若干个发光灯为一组共 用一个驱动电路，通过扫描的方法，使各组发光灯依次点亮，只要扫描频率高于临界闪烁频 率，人眼看起来各组灯都在发光。由于l e d 显示屏所使用的发光灯数量很大，一般在几千 只到几万只的范围，所以节约驱动电路的效益是十分可观的。其次，图像显示区别于图形显 示，它不仅要显示出物体的轮廓( 线框) ，还要显示出画面各个部分的深浅，即需要具有灰度 级显示功能。灰度级显示要求l e d 显示屏能控制各个发光灯的发光强度。 1 3 l e d 器件的特性曲线 描述l e d 的特性有许多参数，这些参数之间的关系呈现非线性。因此，用特性曲线 来描述这些关系，在工程应用中更具有使用价值。下面就以其主要的特性曲线作简单介绍。 一，发光强度，v 与正向电流i 厂的关系曲线1 1 令 u 邑 净 1 - - 4 越 口日名 泉 越 厦 趟 正向电流i f 图1 3 1l e d 发光强度与正向电流的关系 2 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 图1 3 i 中给出了由a g a a s p ( n ) b g a p ( n ) 和c - g a p ( z n - o ) = 种不同半导体材料制成 的黄，绿，红l e d 器件的i ，与j 的关系曲线。从总体上看，i ，是随着，的增加而增加 的，但是变化的规律有所不同。 二，伏安特性f l 】 发光二极管的电流与电压之间的关系和其它电器元件一样，称为伏安特性。由于l e d 器件的主要功能是发光，因此正向特性十分重要，而反向特性意义不大，所以l e d 器件的 伏安特性都是指它的正向特性。发光二极管的伏安特性与一般二极管基本相似，只是开始导 通的正向电压较大，大约在1 6 v 3 0 v 之间，视不同的半导体材料而定，如图1 3 2 所示。 霉5 0 邑 嚣4 0 厘 h 3 0 2 0 1 0 0 1 1 4l e d 器件的驱动f i 】 图1 3 2 正向伏安特性曲线 正向电压 当向l e d 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此l e d 的驱动就 是如何使它的p n 结处于正向偏置，而且为了控制它的发光强度，还要解决它的正向电流的 调节问题。具体的驱动方法分为直流驱动，恒流驱动和脉冲驱动等。 1 4 1 直流驱动 直流驱动是最简单的驱动方法。l e d 的工作点由电源电压v c c ，串联电阻r 和l e d 器件的伏安特性共同决定。这种驱动方式适合于l e d 器件较少，发光强度恒定的情况。例 如公交车用于固定显示“x x 路”字样的显示器。 1 4 2 恒流驱动 由于l e d 器件的正向特性较陡，加上器件的分散性，使得在同样电源电压和同样限流电 阻的情况下，各器件的正向电流并不相同，从而引起发光强度的差异。若对l e d 器件进行 恒流驱动，只要恒流值相同，发光强度就比较接近。晶体管的输出特性具有恒流特性，所以 3 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 可以用晶体管驱动l e d ，如图1 4 1 所示。 v c c 多 t v c c 基极电流控制基极电压控制 图1 4 1 晶体管恒流驱动l e d 器件 1 3 3 脉冲驱动 利用人眼的视觉惰性，采用向l e d 器件重复通断电的方式使之点燃，就是脉冲驱动方式。 脉冲驱动的主要应用有两个方面：扫描驱动和占空比驱动。扫描驱动的主要目的是节约驱动 器，简化电路。如n 行l e d 共用一列数据，称其为1 i 4 扫描方式，n 常取4 、8 ，1 6 ，3 2 。 一般室内屏常取n 为1 6 ，室外屏应用时，n 一般为4 。占空比控制的目的是调节器件的发 光强度，用于图像显示中的灰度控制。 以上介绍的各种驱动，在实际应用中往往是组合在一起使用的。例如在图像显示屏的驱 动电路中，即用到了扫描驱动，也用到占空比驱动，还用到了恒流驱动。 4 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 第二章l e d 显示屏的系统构成 l e d 显示屏根据不同的分类标准，有许多种分类。根据显示屏显示的内容和性能来分， 可分为l e d 图文显示屏，l e d 图像显示屏。图文显示屏的主要特征是只控制l e d 点阵中各 发光器件的通断( 发光和熄灭) ，而不控制l e d 的发光强度。图像显示屏是相对于图文显示 屏而言，既不仅控制l e d 的通断，而且控制l e d 的发光强度，即实现灰度控制产生丰富的 色彩。图像显示技术的另一问题，是所显示的图像是静止的还是运动的。静止图像的显示， 在显示数据的准备时间方面要求不严，只要能够反映画面的灰度就可以了。对于动态图像的 显示，除了要求正确显示相应的灰度之外，其图像的更新速度必须满足运动连续和无闪烁的 要求，这就是视屏l e d 显示屏的要求。视屏l e d 显示屏能够显示运动的、清晰的，全彩色 的图像，相对于图文显示屏和静止图像显示屏而言，对数据的实时传输和时序的配合提出了 更高的要求。 2 1 图文显示屏 对于显示数据量不大，且无灰度要求的图文显示屏，其电路接口框图如图2 1 1 所示， 上下位机之间的数据传输可采用串行异步通信方式，上位机采用计算机，下位机可采用单片 机，如m c s 5 1 系列的8 7 5 1 。通信接口电平可根据需要采用r s 2 3 2 ，r s - 4 2 2 或r s 4 8 5 标准。 由于图文显示屏控制电路比较简单，在此不再详述，本文论述的重点是视频显示屏的同步控 制系统的设计和实现，也即如何实现灰度。 图2 1 1 图文显示屏系统框图 2 2l e d 视频显示屏 图像显示是指那些具有灰度显示功能的系统，它所显示的图像更逼真。对于单色图像 显示屏，就如同黑白电视机一样，其灰度控制产生单色的有深浅过渡的画面。对于多色( 即 r ，g ，b 三色) 显示屏，和彩色电视机一样，由于每一种基色的灰度级均可单独控制，因此 5 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 可以得到从自到黑的各种不同颜色的组合，这时灰度级的控制可以取得深浅过渡的效果，还 可以形成丰富的色彩。 在数字化系统中，灰度控制能力的实现由灰度级表示。所谓灰度级就是可以控制的灰 度等级的多少。例如能够控制1 6 个级别的灰度，它的灰度级就是1 6 。在数字电路中，用4 b i t 二进制数来表示1 6 个不同的数。因此，用于灰度控制的b i t 数越多，能够产生的灰度级就越 大，显示出来的画面就越细腻( 当然还要配合上足够的点阵密度) 。对于彩色显示屏来说，每 一基色的灰度级数目g 确定之后，可以组合出的彩色总数是g3 。通常在图像显示中，对于 要求较高的系统，其( 各色) 灰度级取2 5 6 ( s b i t ) 。在l e d 显示屏中，灰度级的控制就是对l e d 发光灯发光强度的控制。 2 2 1 视频l e d 显示屏的系统构成 由于蓝管价格的下降，且l e d 显示屏控制技术的不断进步，视屏l e d 显示屏的市场 需求也日益旺盛。视频l e d 显示屏能够显示运动的、清晰的全彩色的图像，但在控制技 术上也提出很高的要求，比较重要的有：视频源信号的实时采集，视频信号的再分配，视频 信号的高速传输，显示屏的高速刷新以及显示屏的稳定性和抗干扰等问题。根据其控制原理， 其系统结构框图如图2 2 1 所示 同弗棒制卡 yj j - pji 。 i f p a k s d r a m 视频卡 h 。j ns d r a m r s - 4 2 2 卜 _ 八 矿 j 、 l - l u l 5 板 叫 屏体电路 e p c 2 | l i l 2 2 1 1 视频卡1 2 1 图2 2 1 视频l e d 显示屏系统结构框图 v g a 显示器及显示卡的接口都采用模拟方式来处理色彩。因此它们具有无限的色彩显 示和传输能力。由于显卡连接的是模拟监视器，从显卡上无法直接取得数字视频信号，而北 京恒基天利公司设计的视频卡则有效的解决了这个问题。此卡是集显示、解压，动画加速等 多功能于一体的多媒体卡。它将v g a 上的红、绿、蓝各8 位信号输出，可达2 5 6 级灰度， 最高可实现1 6 7 m 种颜色信号，实现真正的真彩色。5 0 芯插针的数字输出t n ( 其排列示意图 见图2 2 2 所示) 是专门提供给l e d 显示屏的专用口，其输出信号为t t l 电平，具体各管脚 6 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 的定义如表2 1 。 246 8 4 85 0 13 5 7 4 7 , 1 9 图2 2 2 数字口管脚排列示意图 表2 12 4 b i t 及1 8 b i t 输出模式时数字口管脚的定义 信号名管脚号描述 b l a n k 2 或4 8 复合消隐信号 c l k4 点时钟信号 r e d 7 ：0 】6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，4 l ，4 2红色信号( 8 位) g r e e n 7 ：0 】 18 ，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 5 ，4 6 蓝色信号( 8 位) g n d 1 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 c 5 0行同步信号 c l k 点时钟、h s y n c 、v s y n c 信号随不同的分辨率模式其频率也不同，表2 2 给出几种 不同分辨率模式下的频率。 表2 2 点时钟，行，场信号频率 分辨率颜色行信号场信号点时钟 6 4 0 4 8 0 1 6 1 6 7 m3 1 5 k h z6 0 h z2 5 1 7 5 m h z 8 0 0 6 0 01 6 1 6 7 m3 7 9 k h z6 0 h z4 0 m h z 1 0 2 4 7 6 81 6 “4 k4 8 4 k h z6 0 h z6 5 m h z 1 2 8 0 x1 0 2 41 6 2 5 66 4 k h z6 0 h z1 0 8 m h z 2 2 。1 2 同步控制卡 2 2 1 2 1 同步控制卡的功能 同步控制卡如同p c 机和l e d 显示屏中间的桥梁，也是l e d 图像显示屏系统设计的 核心。视频卡上取得的数字视频信号对于常规的平板显示器( 如l c d 、e l ，p d p 等) ，只要 对同步信号稍加处理就可直接驱动电路。由于l e d 显示系统为了减少驱动器，屏体背后的 控制电路是分区扫描驱动的，这种视频信号无法直接使用，且为了实现l e d 显示屏灰度等 级的控制，应该按l e d 显示屏驱动电路的要求和灰度级的要求对视频信号的格式进行重新 7 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 组织和转换，同时也产生显示屏所需要的同步控制信号，这是同步控制卡完成的主要功能。 2 2 1 2 2 传输机制采用r s - 4 2 2 标准3 】 同步控制卡是插在计算机的p c i 槽内，而后一级的h u b 板是安装在屏体背后，同步控 制卡和h u b 板之间的传输属于长线传输，通讯接口电平采用r s 4 2 2 标准。r s - 4 2 2 标准是 一种平衡方式传输的标准，所谓平衡，即双端发送和双端接受，传送信号要用两线制a a 和b b 。发送端和接收端分别采用平衡发送器和差动接收器，如图2 2 3 所示。 平衡发送器 差动接收器 a a ， 嬲 彳b 伊 图2 2 3r s 4 2 2 标准传输线连接 r s - 4 2 2 标准的电气特性对逻辑电平的定义是根据两条传输线之间的电位差来决定的。 当a a 线电平比b b 、线电平低2 v 时，表示逻辑“l ”；当从线电平比b b 线电平高+ 2 v 时， 表示逻辑“0 ”。由于r s 4 2 2 标准采用了双线传输，大大增加了抗共模干扰的能力，因此最 大数据传输率可达1 0 m b s ( 传送距离为1 5 m ) 。若传输速率降到9 0 k b s 时，则最大距离可达 1 2 0 0 m 。r s 一4 2 2 电路由发送器，平衡连接电缆，电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡 发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变换 成逻辑电平，实现终端的信息接收。因而同步控制卡还需把视频信号的逻辑电平转换成差 动信号。r s - 4 2 2 标准规定电路中只许有一个发送器，但可以有多个接收器。因此一块同步 控制卡可带几块h u b 板。为了实现r s 一4 2 2 标准接口的电路设计和连接，可以采用平衡驱 动器接收器集成芯片，如m c 3 4 8 7 m c 3 4 8 6 ，s n 7 5 1 7 4 s n 7 5 1 7 5 等。 2 2 1 2 3c p l d 及其配置 4 1 1 5 ”1 由于传统的同步控制卡系统是用分立器件实现的，由于分立器件本身所具有的集成度 低等特点，用c p l d ( 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 ，复杂可编程逻辑器件) 集成同步控 制卡中的组合逻辑电路可以克服这些缺点。c p l d 具有功能集成度高，在线可编程，开发周 期短和投资成本低等特点，在工业控制领域得到迅速发展。目前c p l d 的厂商有a l t e r a 8 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 x i l i n x 和l a t t i c e 等几家。选用a l t e r a 公司的a c e x i k 系列的产品，a c e x l k 系 列的芯片是基于查找表技术和s r a m 工艺，因此具有掉电易失的特点，每次上电都必须对 c p l d 进行重新配置。 c p l d 配置分为主动配置和被动配置。主动配置即通过专用r o m ，首先把程序配置至 r o m 内，r o m 与c p l d 一同布在p c b 板上，每次系统上电的时候r o m 对c p l d 配置。 被动配置是通过微处理器，在微处理器的控制下每次上电时对c p l d 进行配置。 2 2 1 3 屏体电路i l l 7 】 屏体电路也就是显示驱动电路。由于l e d 的驱动电流相对较大，所以驱动电路应该 尽量靠近l e d 点阵模块。为此，一般都把行驱动器和列驱动器安装在屏体的背面。传统的 显示驱动电路中的关键芯片采用7 4 h c 5 9 5 。以1 1 6 扫描为例，显示驱动电路如图2 2 4 。 7 4 h c 5 9 5 具有串入并出的移位功能和并行锁存的功能。它可以有效解决数据串行传输和数 据显示在时间上的矛盾问题，即采用重叠处理的方法，在显示本行各列数据的同时，准备下 一列的数据。c l k 是移位时钟，数据在时钟的控制下移位进入7 4 h c 5 9 5 ，当全行移到位之 后，在锁存信号s t r 的控制下由7 4 h c 5 9 5 的后台移入前台锁存。a 、b ，c ，d 信号是行扫 描信号，可直接通过对s t r 信号计数得到，并通过4 1 6 译码器得到1 6 根行扫描线。o e 信 号是消影信号，它即可以选择控制列信号，也可以选择控制行信号。如果选择控制列信号， 它可接7 4 h c 5 9 5 的输出使能端e 术。因为，只有当e 宰为低时7 4 h c 5 9 5 的输出才有效，而e 宰 为高时输出为三态，这个信号对灰度的实现非常有用。同理，如果选择控制行信号，它也可 以接4 1 6 译码器的使能信号端，为低时使行扫描信号无效。采用7 4 h c 5 9 5 的驱动电路，其 l e d 扫描工作时序见图2 2 5 所示。 9 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 d c l k 图2 2 4l e d 显示屏屏体驱动电路 一一一一一一一j 肌 d a t a d a t a = x 二= = = = 二：二二二二二= 汇 _ _ - _ _ _ 一，1 _ - _ - - _ - - - - - _ _ _ _ - - _ _ _ - - _ - _ _ - _ _ _ _ _ o _ _ - _ _ _ - 一_ - - - _ - - ，、 - _ _ _ 一 s t r 厂一 厂 l i n e5 1 一一一一一一广 图2 2 5l e d 扫描工作时序 2 2 1 4h u b 板 h u b 板安装在屏体背后，介于同步控制卡和屏体驱动电路之间。它的主要功能是接收 从同步控制卡传输过来的信号，按r s 4 2 2 标准把传输的电位差信号转换成逻辑电平。同时 根据s t r 信号产生行扫描信号a ，b 、c 、d ，且把信号分组送至屏体的驱动电路。 2 2 1 5 分析系统移位时钟不能进一步提高的原因 采用传统驱动电路( 即以7 4 h c 5 9 5 芯片为主的屏体电路) a nr s - 4 2 2 标准的传输方式为主 的大屏控制系统。其系统的移位时钟最高在1 0 m b s 左右，其移位时钟不能进一步提高的原 因分析为如下： ( 1 ) 通讯接口电平采用r s 4 2 2 标准，r s 4 2 2 标准明确规定其最大数据传输率可达1 0 m b s ， 1 0 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 传送距离为1 5 m 。这是限制移位时钟不能进一步提高的关键原因。 ( 2 ) 7 4 h c 5 9 5 的工作频率虽然最高可以达到1 0 0 m b s ，但一片5 9 5 管理8 列数据，一行5 1 2 列则需6 4 片5 9 5 ，6 4 片5 9 5 并行共用移位时钟，而6 4 片5 9 5 却串行使用数据线，即在时钟 的上升沿控制下，数据首先一位一位锁存在第一片5 9 5 中，满8 位后，在送至下一片5 9 5 ， 同理一直至最后一片5 9 5 中。这样一级级往下送就会产生时延累计效应。若移位时钟过高， 则时钟信号和数据信号会不匹配，则图像会产生畸变。 ( 3 ) 在同步控制卡和h u b 板之间使用双绞线，其他地方大都使用扁平带状电缆。信号在长 线上传输会遇到三个问题：长线传输具有信号延时，双绞线单位长度上传输延时为5 n s m 。 高速的脉冲信号在传输过程中会受到畸变和干扰。长线传输易受到外界和其他传输线的 干扰。因此信号经长线传输，其频率也不能过高。 ( 4 ) 频率过高，对p c b 板的设计与制造也提出较高的要求。因为p c b 板上的印制线条本身 阻抗较高，当电源线上有冲击电流流过时产生压降，使电源电压瞬间急剧下降，这种压降还 会在地线上造成电路间的公共阻抗耦合，使两条靠的很近的平行线之间造成串音耦合，稍长 一些的印制线条还会对高速电路射波等( 3 1 。 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 第三章灰度等级实现方案分析 3 1 灰度的实现方式 在l e d 显示屏中，灰度级的控制就是l e d 发光灯发光强度的控制。对于l e d 发光灯， 灰度控制方法主要有两种，即驱动电流控制法和驱动脉冲占空比控制法。 3 1 1 电流控制【i 】 从l e d 器件的正向伏安特性上可以找到控制正向电流的方法。如果采用简单的恒压 源串联电阻来驱动l e d 的话，在l e d 器件正向伏安特性上，以恒压源c 和串联的负载 r l 作出负载线( ，c r z ) ，可以得到负载线与正向伏安特性的交点a ，a 点对应的电 流值就是l e d 的正向电流，改变电源电压或改变负载电阻，都可以调节l e d 的正向电流， 从而对其亮度进行控制。电压源驱动方式，由于l e d 器件的特性分散性，采用相同的电源 电压和相同的负载电阻，可能得不到相同的正向电流，达不到正确控制亮度的要求。所以， l e d 器件的电流控制常常采用恒流源驱动方式，晶体管就是一种近似的恒流源，其l e d 驱 动电路如图3 1 1 所示。晶体管与l e d 串联，所以晶体管的集电极电流就等于l e d 的正向 电流。而晶体管的集电极电流有受基极电流控制，因此有 印2 口( ( _ n v b e ) r b ) 如果把夕初v b e 看成常数，那么i f 就只受v i n 的控制了。 i i i f 暑ic l 亨 t r 图3 1 1 恒流源控制 上面所讨论的电流控制方法，都是直接从模拟电路的角度进行分析的，在应用到数字电 路时，还需把点阵上各个l e d 的灰度数字量转换成的c ， y i n 和r 三，当然可以采用d a 变换器的方法来解决这个问题。但如果每一列都用一个一位的d a 变换器，对于m 行n 列 1 2 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 的显示屏而言，采用1 1 6 扫描，就需( m 1 6 ) x n 个一位的a d 变换器，这个数量是很可观 的。除非采用大规模集成电路有可能实现( 目前世面上已有这种专用芯片出现，用于视频显 示屏) 之外，一般很难做到的。 3 1 2 占空比控制 前言中关于占空比控制已给出了概念，在此讨论占空比控制方案及具体实现。在屏体 电路采用7 4 h c 5 9 5 等芯片的结构基本不变的情况下，对于实现2 5 6 级灰度而言，在扫描显 示过程中，每次传输和显示的只是8 b i t ( d 7 d o ) 灰度级的某一列数据的l b i t ，这样传输并显 示8 次，且每次显示的时间分别为1 t ，2 t ，4 t ，8 t ，1 6 t ，3 2 t ，6 4 t ，1 2 8 t ( t - 一帧的 时间2 5 5 ) ，就可以反映出8 b i t 的灰度级来了，且l e d 显示屏的显示效率可以达到约1 0 0 。 但显示屏的工作情况是一行的显示时间与下一行的数据传输时间是重叠的，如果最低位显示 时间是1 t ，想在这么短的时间传输6 4 0 列数据，若设l e d 显示屏的刷新频率为6 0 h z ，则 系统移位时钟频率lf = 6 0 x 2 5 5 x1 6 x 6 4 0 1 5 7 m h z ，这么高的移位时钟是很难实现的。 我们先来看看采用等长时间方案实现2 5 6 级灰度。 3 2 等长时间方式实现2 5 6 级灰度 由于采用占空比控制方法来调节灰度，8 b i t 的灰度值就是占空比的值。一个8 b i t 列数 据各位的占空比权值，如图3 2 1 所示。系统引入“消影时间”的概念，也即需要用到o e 信号。“消影时间”指屏体正常工作里的无效显示时间。屏体数据更新时间可以大于显示时 间，即在屏体数据更新时存在“消影时间”。 具体措施：把显示屏一帧的刷新周期等分成8 个周期，对于显示屏的各个部分，在第一个周 期内首先扫描显示8 b i t 灰度值的d 0 b i t ，但显示屏的工作时间只是1 个周期的1 2 5 6 ：在第 二周期内扫描显示8 b i t 灰度值的d 1 b i t ，但显示屏的工作时间只是1 个周期的2 2 5 6 ：依次 类推，直到扫描显示灰度值的d 7 b i t ，但显示屏的工作时间只是1 个周期的1 2 8 2 5 6 。对于 1 1 6 扫描，即从第一行开始，首先送这一行各列d o 位灰度值数据到各列移位寄存器锁存， 然后送第二行各列的d o 位数据，同时显示第一行的数据。依次类推，直到显示第1 6 行各 列的d o 位数据，同时开始送第一行的d l 位数据直至显示第1 6 行的d 7 位数据。重复 8 次扫描显示1 6 行，每次重复的过程虽然相同，但各次所对应的位的灰度值权重是不同的。 具体实现见下面的灰度值发生器电路f 1 1 。 为了实现2 5 6 级灰度( 即8 b i t 灰度值) ，用两片7 4 1 6 1 组成8 位计数器，可以得到0 2 5 5 共计2 5 6 计数值。当一个时钟信号c l k 的周期为t ( 频率为f ) 时，上述计数值对应1 t - 2 5 6 t 。 1 3 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 8 b i t 计数器的各位输出a o a 7 的权值分别为l ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，其波形如图 3 2 1 所示。为了形成单个占空比信号，电路如图3 2 2 所示。利用相应位信号的非进行与操 作，就可得到图3 2 3 所示的波形。由于篇幅宽度的有限，此图只画出了加“的波形。 鲇g 8 舶回厂厂 l l 一1 l 。h i 1 i i i 1 i ： 1 ： 卜一 l1 。! 图3 2 18 b i t 数据与占空比权值的关系 1 4 t u 厂r = 12 8 2 5 6 k 厂r 一6 4 ，2 5 6 t u ，t - 3 2 2 5 6 t u ，t - 1 6 2 5 6 t u 厂r - 8 2 5 6 肛2 ，2 5 6 t u 厂r l ，2 5 6 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 叫 - 一 图3 2 2 灰度值发生器电路原理图 图3 2 3 灰度值发生器原理波形 1 5 盎归 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 s 纠枷 ， 硇z n讲 j m i ， 髓珏啦 ， i 虻 蕾 i o 四 s c e r i - 一 rs 瑁j !，c t 鼻 l j 下 p i t x w _ 7 4 i i 盏l ；i 鲁 l 纠j 司 c f p 4 1 5 1 j i i 一 一。 n 啪 j n删 n啪 一 氆 i ； 亿 c 秒 l d c 日。 c 【冀 p - 图3 2 41 6 计数器和3 b i t 计数器 在1 1 6 扫描方式下，每一种占空比信号要在1 6 行的扫描过程中重复用于每一行的显示 控制。只有当1 6 行扫描完一遍之后，再更换到下一个占空比信号的控制。由s t b 信号可计 数产生行扫描信号a ，b ，c ，d ，也可由它产生屏数，电路图如图3 2 4 所示。即为了实现 8 b i t 灰度值，把显示屏一帧画面的时间等分成8 幅画面的显示时间，屏数代表的即是一帧画 面的第几幅，见表3 1 。8 选l 多路选择器的数据端连接8 路占空比信号，控制端连接屏数 输出端。在s t b 信号的控制下，依次选通相应的占空比信号。 表3 1 屏数与占空比信号的关系 s e l 3 s e l 2s e l l 屏数占空比 o0o 第一幅 1 2 5 6 0ol 第二幅 2 2 5 6 111 第八幅 1 2 8 2 5 6 3 3 视频l e d 显示屏的时间关系 根据灰度值发生器的实现原理，计算以这种方式下移位时钟信号的频率。设l e d 显 示屏m ( 行) n ( 列) ，采用i h 扫描，各个部分的显示相互独立；l e d 显示屏的时间参数为： 帧频率为z f ，行频率为h f 、列频率( 即移位时钟频率) 为l f 以及相应的帧周期z c ，行 周期c 、列周期l c 。灰度值发生器的计数器时钟周期为t g ，则有 z c = h x8 x 2 5 6 x 乙 6 另一方面，一行各列l b i t 灰度级数据的总传输时间应该等于i b i t 灰度级的显示时间， 则有 2 5 6 x 删x l c 6 1 6 硕士学位论文 基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 由式和式，可得式 l c ：= z c c i q 8 n ) l f = vr c = ( h x 8 x n ) z c = h x 8 x n x z f 一 设h = 1 6 ，m = 4 8 0 、n = 6 4 0 ，z f = 6 0 h z ，带入式，得lf = 4 9 1 5 2 m h z ，这么高的工作频率 对系统设计来说是可以实现的，且又实现了2 5 6 级灰度。 如果屏体的各部分独立工作，设在一个列周期内应读出删) 个数据，设读周期为t r ， 读频率为尺f 则有 ( m h ) xt r = l c 即有r f = ( m h ) l f 参数带入上式，得r f = 1 4 7 4 5 6 n h z 。这个频率对r a m 的要求还是比较高的。但如果各部 分并行工作，则r f 2 l f 下面就几种常用显示分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 ，8 0 0 x6 0 0 ，1 0 2 4 x7 6 8 ) 情况下，在三种不同工况 的系统移位时钟频率问题展开讨论。工况无论起各部分之间还是各色各点灰度值全部采用 并行传输，这时l c = h c i n ，r f = l f ；工况各部分显示数据并行传输，三基色也采用 并行传输，而每点每色8 b i t 灰度值采用串行传输方式，这时l c = h c ( 8 x n ) ，r f = b x l f ： 无论是各部分之间还是各色各点灰度值全部采用串行传输，此时l c = h c ( 2 4 x b x n ) ， r f 2 三f ，b = m h 。计算结果列于表3 中。 表3 2 不同扫描工况下的电路参数 l h 分辨率b 工况 n 木m h c ( u s )l c ( n s ) l 瓜m h z )r p - ( m h z ) 1 1 66 4 0 x 4 8 01 0 4 1 6 73 0 1 6 2 7 6 0 6 1 4o 6 1 4 2 0 3 4 54 9 1 51 4 7 4 7 2 2 64 4 2 4 84 4 2 4 8 8 0 0 x 6 0 01 0 4 1 6 73 7 5 1 3 0 2 10 7 6 80 7 6 8 1 6 2 7 66 1 4 42 3 0 4 0 1 4 4 76 9 1 1 6 9 1 1 1 0 2 4 x7 6 8 1 0 4 l 。6 74 8 1 0 1 7 30 9 8 30 9 8 3 1 2 7 1 17 8 6 73 7 7 6 0 8 81 1 3 6 41 1 3 6 4 1 86 4 0 x 4 8 0 2 0 8 3 3 46 0 3 2 5 5 20 3 0 70 3 0 7 4 0 6 92 4 5 81 4 7 4 7 1 7 硕士学位论文基于c p l d 的l e d 显示屏同步控制系统设计 2 2 6 4 4 2 4 8 4 4 2 4 8 8 0 0 6 0 02 0 8 3 - 3 4 7 5 2 6 0 4 20 3 8 40 3 8 4 3 2 5 5 2 3 0 7 2 2 3 0 4 0 1 4 4 76 9 1 16 9 1 1 1 0 2 4 7 6 82 0 8 3 3 49 6 2 0 3 4 50 4 9 2 0 4