基于FPGA的全彩色高清大屏LED扫描控制系统的设计.doc

基于FPGA的全彩色高清大屏LED扫描控制系统的设计朱玮鹏，王玲（湖南大学 电器与信息工程学院，湖南 长沙，410000，E-mail:）摘 要：介绍了一种具有高清显示能力的LED大屏幕全彩显示屏的驱动控制系统的设计方案。在FPGA内部实现系统各控制模块，对其反校正模块和灰度扫描模块的原理和实现进行了着重介绍。主控制芯片采用了Altera公司的低端芯片系列Cyclone的EP2C8Q208，很好的控制了成本。列驱动芯片采用聚积科技的MBI5026，最高移位频率可达25MHz，使整个系统有很大的扩展性。最后，根据设计结果，给出了反校正和灰度扫描的仿真波形。关 键 词：LED显示屏；扫描驱动；FPGA；反校正；灰度中图分类号：TN27;TN702文献标识码：A作者简介：朱玮鹏（1986），男，硕士研究生，研究方向为LED显示器的驱动电路与器件0 引 言LED 显示屏作为一种大型显示设备，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。红，绿，蓝三基色组成的全彩色LED显示屏，以画面清晰艳丽，对比度高，色彩效果丰富而备受关注。业界一般从寿命、单位面积亮度、三基色的偏差程度、点距、对比度、灰度等级(包括灰度级数和线性度)、扫描频率等指标来衡量或横向比较大型显示设备的好坏1。LED显示屏能不能获得优异的上述指标性能，与其扫描控制器的设计是否合理息息相关，其中反校正模块和灰度扫描模块的设计更是尤为关键。1 反校正的研究由于以前使用最广泛的CRT显示器的显像管的电光转换是非线性的，而摄影机记录的数据是线性的，如果不加处理的把摄影机的原始数据输入显示器显示，就会有色彩还原不真实的情况发生。为了克服这一现象，一般会在传输之前对视频信号进行预校正，来实现摄像机数据（亮度）到CRT显示器数据（亮度）的线性变换，从而得到原始图像的逼真还原，这个预校正过程一般称为校正。LED却不同，它的电光转换是线性的，如果把经过了校正的数据直接输入LED显示屏进行输出，反而会使显示画面的低灰度级跳变过快，高灰度级层次不清。因此，LED显示屏在接受适用于CRT屏的图像数据信号时，必须要进行适当的灰度校正，称之为反校正。对数字视频数据进行反校正的方法有很多，如插值法，多项式回归法，查找表法等。插值法误差较大，多项式回归法速度较慢，这里重点介绍一下兼顾误差和速度的查找表法。查找表法一般是通过FPGA实现，其内部的存储器可配制出内置查找表的ROM，输出延迟最小可达纳秒级，可以完全满足对实时性要求苛刻的视频数据的处理2。查找表法是用一个查找表来代替繁琐复杂的非线性运算，即根据已知的反公式，事先将所有输入灰度值对应的校正之后的输出灰度值算好，配置到ROM中形成表格，在使用时只需根据输入信号的值取查询这个表就能得到反运算的结果值。（1）式（1）中是输入灰度级，为对应的输出灰度级，在确定的值之后，可以很方便的计算出与输入对应的输出。我们已经知道LED显示屏接收到的色彩信号是经过校正的R,G,B各8位的24位并行数据，可实现256级灰度显示。通过反校正，转换成R,G,B各12位的4096级灰度显示。取值越大，图像暗部的灰度等级越细腻，黑色和白色的反差也变大，但图像的整体显示质量也将下降，所以在实践中，的取值一般为1.6到2.8之间。2 灰度扫描的研究灰度是指画面上亮度的等级差别。灰度扫描控制，也就是对发光单元的亮度的控制。人眼对快速的亮暗闪烁并不敏感，通过变换发光体的点亮时间和点亮面积来区分亮度，就能形成一种不同灰度画面的错觉，实现灰度级。一般灰度级越高，所显示图像的层次越分明，图像越细腻。2.1 灰度实现方案LED显示屏的灰度实现方案有很多种，如幅值法，电压组合法，空间法，时分法，帧灰度法，脉宽调制法和子场法3。表1 常用灰度控制方案灰度实现方法灰度实现原理该方法特点幅值法器件发光强度与驱动电流或电压呈线性关系实现容易，但精度低电压组合法驱动电压幅值按一定步长划分为多个子电压来组合灰度精度低空间法每一定数目的点作为一个单元，控制各单元处于点亮状态的点的个数电路简单，控制和驱动电路增加，分辨率低时分法在每个显示周期内按照灰度级平均等分出小的时间间隔脉冲难以实现高灰度级帧灰度法一定数量的帧作为一个时间单元，控制该单元内处于点亮状态的帧数扫描的频率不能过高，难以实现高灰度级脉宽调制法输出驱动脉冲的占空比比数据大小成正比时序复杂，要求显示屏有较快的响应速度子场法一场数据分为几个部分（子场），每个部分的点亮时间对应不同的权值要求高频率的驱动控制电路，实现难度大2.2 线性权值子场法子场法是目前LED显示屏灰度控制中最常用的一种方案，现在以一个像素点的灰度实现来介绍这种方案。用一个n位二进制数D=d0,d1,.,dn-1表示显示的灰度，那么对同一个像素点可以通过n场分别以d0,d1,.,dn-1对应的占空比d0/20,d1/21,d2/22.,dn-1/2n-1循环显示，当n场循环足够快时，人们会因为视觉惰性而只能看到n场显示的平均效果，这样就实现了这个像素点的2n级灰度显示4。定义每场时间为T，T由LED的导通时间和非导通时间两部分组成。由于采用了线性权值法，前一场导通的时间是后一场的两倍。（2） （3）其中d0,d1,.,dn-1等于0或1。发光效率=导通时间/总时间100%，发光效率决定了发光亮度。当d0,d1,.,dn-1全为1时，根据式(2)式(3)可知导通时间为2T，发光效率=2T/nT100%.一般的，经过反校正后的灰度数据D将达到12位，这时采用这种方法的发光效率=2T/12T16.67%，亮度远远达不到要求。要提高亮度，只有增加一个周期内的导通时间。现在把每场的导通时间相应的扩大N倍（N是2的倍数），则导通时间和总时间的关系如表2，表2 每场导通时间和总时间的关系方案每场导通时间导通总发光效率第0场第1场第2场第3场.第10场第11场时间时间/%11TT/2T/4T/8.T/1024T/20482T12T16.6722T1TT/2T/4.T/512T/10244T13T30.7734T2T1TT/2.T/256T/5128T16T5048T4T2T1T.T/128T/25616T23T69.57516T8T4T2T.T/64T/12832T38T84.21.122048T1024T512T256T.2T1T4095T4095T100研究表明，刷新率要达到60Hz以上，人眼才感觉不到闪烁，屏幕越大，刷新率要求越高。此次设计因为是针对大屏幕显示，所以要求刷新率为120Hz，即每一屏的显示时间为8ms，如果采用方案5，则显示数据的总时间为38T，那么T=8.3ms/38218s，因为是静态显示屏，所以每行扫描一次的时间就是218s。以此类推，得表3：表3 总时间与每T时间关系表方案总时间每行一次扫描时间/s112T691213T638316T518423T360538T218.124095T2可见在亮度提升的同时，留给每行一次扫描的时间在减少，这就要求驱动控制芯片必须要拥有很高的频率，增加了硬件成本，当分辨率增加时，这种成本的增加尤为明显。且芯片频率不可能无上限提高，这也就制约了亮度的无限增大，应根据需求选择最合适的方案。3 FPGA的实现LED大屏幕显示器拥有高分辨率，高刷新率，需要实时处理的数据量大，且其驱动控制系统的数字时序逻辑相当复杂，采用FPGA来实现该控制系统可以集众多模块于一身，很好的简化电路，方便调试5。本文设计的LED大屏全彩显示器的驱动控制系统，涉及到数据接收模块，数据缓冲模块，反校正模块，灰度扫描模块，数据存取模块和数据输出模块等。整个系统模块框图如图1所示。本文主要是对驱动控制系统中的反校正模块和灰度扫描模块进行讨论，利用FPGA作为主扫描控制芯片实现了对由红，绿，蓝三色组成的LED大屏幕显示系统的控制。图1 大屏幕LED显示器控制系统整体框图3.1 反模块的实现FPGA的IP核技术能够非常方便的在FPGA内部配置出常用的模块，我们只需修改其端口就能在自己的系统中直接调用以实现相应功能，避免了重复劳动，缩短了开发时间。在实践中，当显示器处于不同明暗环境中时，所需反校正的力度也是不同的，一般取1.62.8等分的4个值，对应的查找表置于不同的ROM中，供用户手动选择分别用于不同的环境，也可安装亮度检测设备让显示器自动选择。以单色反校正为例。由于与的取值有4个，对应的ROM也有4个，这需要使用2根地址线gamma_s来产生使能信号，根据当前设定的值选择与之匹配的ROM。8位的色彩数据addr_color_in占用8根地址线，同时接到4个ROM的输入端，但只有被gamma_s使能选中的ROM才能有数据输出，这样就实现了单个颜色的反校正，另两种颜色通过同样的方法校正，之后data_color_out数据送到灰度扫描模块中产生灰度数据，内部结构如图2所示。对反校正模块进行仿真验证，结果如图3，切换时仅延迟两个时钟周期，反应迅速准确，达到设计要求。图2 反校正模块内部结构图3 反校正模块的仿真3.2 灰度扫描模块的实现本设计的驱动控制系统要求用于分辨率为1280720的720P高清大屏幕LED显示器上，刷新率要求120Hz。通过对表2和表3的分析，采用发光效率为84.21%的方案5，点频率约为5.87MHz，这对于最高移位频率达25MHz的列驱动器件MBI5026来说，是很可靠的。灰度扫描芯片通过产生MBI5026的控制时序信号来形成灰度。MBI5026为16位恒流串入并出移位寄存器，共有3个控制信号。CLK为移位时钟信号，上升沿到来时，数据从串行输入口SDI上移入显示缓存，同时MBI5026内部所有的缓存值向串行输出口SDO方向移一位，最靠近SDO的缓存值则从SDO口移出，输入到下一级MBI5026中。LE为数据锁存信号，只有当LE出现高脉冲时，16位并行输出引脚上的值才会被MBI5026内部的缓存值改变，且是同时改变。OE为使能信号，只有当OE为低电平时，16位并行引脚上才有效输出，换言之，只有当OE为低电平时，LED灯才受输入数据控制。前面已经算出LED的点频率为5.87MHz，所以灰度模块生成的clk_shift频率应为5.87MHz，每行一次扫描时间内要完成1280次移位，所以LE信号应每隔1280个clk_shift周期生成一个高电平脉冲，持续至少50ns。使能信号OE是实现灰度的核心，它的有效时间直接关系到LED灯的点亮时间，12位灰度数据从低位到高位对应的点亮时间从T/128倍增到16T，各位组合就能显示4096级灰度。OE用LE的下降沿触发，这样可以保证输出灰度信号的稳定和准确。灰度扫描控制时序仿真如图4。图4 灰度扫描控制模块的仿真在设计控制时序时，考虑到OE的有效时间如果完全按照从16T倍减到T/128的顺序，会使最亮和最暗的场分布在每帧的两端，有可能在帧过渡时因为亮度的突变而引起不必要的闪烁感，解决方法是在数据缓存时就将12位灰度数据打乱换位存储，输出的点亮时间就不会按两倍的时间倍减，人眼就只能感受到平均亮度而不会察觉到不连续感。此外，FPGA内部还集成了读写地址发生器，以实现对FIFO，SDRAM和双口RAM的控制，其中双口RAM采用“乒乓操作”轮流接收和读出数据以实现LED显示屏显示画面的无缝衔接。4 结 语本文对LED显示屏常用的反校正方法和灰度实现方法进行了讨论，对查找表法反校正和子场灰度扫描法进行了详细论述。并在此基础上进行分析，在亮度和分辨率都留有提高余地的情况下选择了点亮效率为84.21%的方案5实现4096级灰度，经过仿真验证了设计的正确合理。基于FPGA进行设计的扫描控制系统配置灵活，可在客户要求下调整分辨率，刷新率和亮度，无论是在要求高亮度的室外静态扫描屏还是高分辨率的室内分时扫描屏上都能很好的适用。参考文献1 杨庚.LED显示屏灰度等级的提高及非线性校正J.液晶与显示，2001,16(2):150-156.(Yang Geng. Increasement in Color Depth and Brightness Nonlinear Correction of LED DisplaysJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2001, 16(2):150-156.)2 马晓阳.LED显示屏校正的研究和实现J.电光与控制，2010,17(6):92-96.(Ma Xiaoyang.Research and Implementation of Correction of LED Display ScreenJ. Electronics OpticsControl,2010,17(6):92-96.)3 严利民，王浩，金晨，等.平板显示器件的灰度显示优化结构J.液晶与显示，2008,23(5):567-571.(Yan Li-min,Wang Hao,Jin Chen,et al.Optimized Structure of Gray Scan in Flat-Panel DisplayJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2008,23(5):567-571.)4 靳桅，邬芝权，李骐，等.基于51系列单片机的LED显示屏开发技术M.北京：北京航空航天大学出版社，2009:238-241(Jin Wei,Wu zhi-quan，Li Qi,et al.Develop Technology of LED Screen Based on 51 Series MicrocontrollerM.Beijing:Beijing Aerospace University Press,2009.)5 梁志明，李斌.基于FPGA的大屏幕全彩LED扫描控制器设计J.液晶与显示，2007,22(4):477-481.(Liang Zhi-ming,Li bin.Design of Scan Controller in Large LED Screen Based on FPGA CircuitJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2007,22(4):477-481.)Design of Scan Control System for LED Screen Based on FPGAZhu Weipeng, Wang Ling（College of Electronic and Information Engineering,Hunan University, Changsha 410000,China, E-mail:）Abstract：In this paper,it introduces a design method of a scan control system for large LED screen,which could display full color and high density images.Realize co