高灰度级TFTLCD显示系统的实现毕业设计

1、摘要摘要 随着社会的进步，人们更多的关注于 显示系统的高清晰度、高灰度级和高还原度 。 基于改进灰度等级的 tft-lcd 显示系统已经成为各个领域发展的重要组成部分，具有 十分重要的研究意义。 本文分析和研究了传统的电压幅值、脉宽调制等传统灰度调制方法，分析其制约 提高 tft-lcd 显示系统的因素，提出了 采用混合多种传统灰度调制方法提高 tft- lcd 显示灰度级的方法，重点研究了混合灰度调制中的 bayer 抖动算法，旋转抖动矩 阵算法等混合灰度调制的实现方法，并给出了混合灰度调制算法的 fpga 实现方案。 本文设计提出和研究了一种 时间和空间上的混合灰度调制的 tft-lcd

2、显示平台。 在设计整个 tft-lcd 结构和混合灰度调制原理的基础上，实验采用了 altera 公司 cyclone 系列 fpga 为核心控制器，以 quartus ii 软件为 fpga 设计平台，采用自顶向 下的 fpga 设计方法，设计了以 fpga 为控制核心的 tft-lcd 显示系统。结合混合 灰度调制原理，开发了基于 ad9984a 的 vga 数据采集、ad 转换模块、数字图像预 处理模块、fifo 控制模块、lvds 控制模块以及混合灰度调制算法实现等主要功能模 块，实现了对模拟图像信号 vga 的采集、模数转换、存储和混合灰度调制，提高了 图像的清晰度以及系统集成度和稳

3、定性。 本文最后搭建了整个系统的硬件平台，并对 tft-lcd 系统进行测试与验证。从 对 fpga 的综合和仿真结果以及 tft-lcd 的显示效果来看，系统能够正确可靠的工 作，且系统的显示灰度效果有一定程度提高，初步达到了预期目标。 关关键键词词：tft-lcd；混合灰度调制；抖动算法 ；fpga the study and design of high gray-scale display system based on tft-lcd abstract with the progress of society,people pay more attention to high def

4、inition, high grayscale display systems. tft - lcd display system based on improved grey scale all areas has become an important part, plays very important research significance. in this paper ,we analyze some traditional gray modulation method such as traditional voltage amplitude, pulse width modu

5、lation and the analysis of the factors of improvement of tft - lcd display system, using hybrid variety of traditional gray modulation method is presented to increase the tft - lcd display grayscale method, focuses on the dynamic jitter in the mixed gray modulation processing, and presents a hybrid

6、algorithm for calculating grayscale modulation of the fpga implementation scheme. in this paper ,we proposed and studied a kind of time and space on a mix of gray modulation tft - lcd display platform. in the design of the whole tft - lcd structure and mixed gray modulation principle, on the basis o

7、f the experiment adopted series of altera company cyclone fpga as the core controller, with the quartus ii software for fpga design platform, using the top-down fpga design method, designed with the fpga as the core of tft - lcd display system. combined with the mixed gray modulation principle, deve

8、loped on the basis of ad9984a vga data collection, ad conversion module, digital image preprocessing module, fifo control module, an lvds control module and the main functional modules, such as mixing gray modulation algorithm realizing the collection of the analog image signal vga, modulus conversi

9、on, storage, and mixed gray modulation, improves the resolution of the image as well as system integration and stability. finally, the paper set up the hardware platform of the whole system, test and verify on the tft - lcd system. from comprehensive and simulation results of fpga and tft - lcd disp

10、lay, the system can be worked accurately and reliable, and the system have a certain degree to improve the effect of display gray, preliminary reached the expected goal. key words: tft-lcd；hybrid grayscale modulation；dithering algorithm；fpga 第一章绪论第一章绪论 .1 1 1.1 研究背景.1 1.2 研究内容及意义 .1 1.3 论文安排.2 第二章第二

11、章 fpgafpga 开发技术及硬件描述语言开发技术及硬件描述语言 .4 4 2.1 fpga 简介 .4 2.2 quartus ii 开发平台.4 2.3 fpga 设计流程图 .5 2.4 硬件描述语言 verilog hdl.7 2.4.1 verilog 硬件描述语言的主要能力 .7 2.4.2 模块设计 .8 2.5 小结.8 第三章第三章 灰度调制灰度调制 .9 9 3.1 传统灰度调制方法.9 3.1.1 传统灰度调制介绍 .9 3.1.2 传统灰度调制比较 .10 3.2 混合灰度调制.11 3.2.1混合灰度调制原理 .11 3.2.2混合灰度调制数据处理过程 .12 3.

12、3 小结.12 第四章第四章 tft-lcdtft-lcd 图像显示系统硬件设计图像显示系统硬件设计 .1313 4.1 总体设计方案.13 4.2 vga 信号采集及 d/a 转换模块.13 4.2.1 ad9984a 的器件特性与结构 .13 4.2.2 ad9984a 的寄存器配置.14 4.2.3 ad9984a 接口电路设计.18 4.3 数据存储模块 .19 4.3.1 fifo 控制模块 .19 4.3.2 sdram 模块电路设计 .19 4.4 lvds 接口电路设计 .20 4.5 系统电路设计 .21 4.6 系统的 pcb 设计.23 4.7 小结.24 第五章第五章

13、tft-lcdtft-lcd 图像显示系统软件设计图像显示系统软件设计 .2525 5.1 fifo 控制及数据存储模块.25 5.1.1 fifo 控制模块工作原理 .25 5.1.2 sdram 读写模块 .26 5.2 数字图像预处理模块 .27 5.3 混合灰度调制模块 .28 5.4 小结.28 第六章第六章 抖动技术的实现抖动技术的实现 .2929 6.1 抖动算法.29 6.2 传统 bayer抖动算法.29 6.2.1 传统 bayer 抖动算法具体实现方法 .29 6.2.2 传统 bayer 抖动算法的优缺点及改进方法 .30 6.3 动态旋转抖动矩阵.31 6.3.1 动

14、态抖动矩阵基本原理 .31 6.3.2 动态抖动矩阵具体实现 .33 6.4 小结.37 第七章第七章 系统功能模块仿真与系统功能模块仿真与 fpgafpga 验证验证 .3838 7.1 抖动算法功能模块仿真.38 7.1.1 bayer 抖动算法波形仿真 .39 7.1.2 动态抖动矩阵算法波形仿真 .40 7.2 fpga 平台验证.41 7.3 小结.43 第八章第八章 总结与展望总结与展望 .4444 8.1 总结.44 8.2 展望 .44 致谢致谢 .4646 参考文献参考文献 .4747 附录附录 1 1 .4848 附录附录 2 2 .4949 附录附录 3 3 .5151

15、附录附录 4 4 .5252 前言前言 随着人们物质生活水平的提高，人们对于图像显示的高清晰度，超高灰度级和高还 原度的要求越来越严格。传统的显示器如 crt（阴极射线显像管显示器）已经逐渐淡 出了人们的实现，取而代之的是平板显示，其中尤以 tft-lcd（thin film transistor liquid crystal display）的应用面最广。 基于 tft-lcd 显示屏的研究一直在追求显示图像和视频的高清晰度，超高灰度级 和高还原度。我们不仅要将我们的目光聚焦在 tft-lcd 面板材料的改进和图像编码 压缩或前端处理，我们还需要充分注意到人的视觉和物理发光体的数字图像信息转

16、换 过程之间的关系。以找到高分辨率的 tft-lcd 的定时控制和灰度控制方法。在实现 灰度等级的提高的探索过程中，采用了一些传统的 、单一的灰度调制方法。本文以 “高灰度级 tft-lcd 显示系统的实现”为题旨在探索一种基于传统灰度调制方法的混 合灰度调制方法，以求得对传统灰度调制方法的完善和补充。 基于这样的背景，本文主要研究了混合灰度调制法中的空间抖动算法，首先对其 在实际应用中会出现波纹现象和块状现象进行了分析论述；其次提出了利用旋转抖动 算法来解决传统抖动算法的不足；最后，使用 quartus ii 对设计进行时序仿真和利用 fpga 平台进行验证。实验结果表明，旋转抖动算法很好的

17、实现了预期的功能，达到了 要求的显示效果。 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景 随着科学技术发展，电子显示技术也在不断更新换代，从传统的 crt(cathode ray tube，阴极射线管)发展到平板显示(flat panel display, fpd)。展望未来几年， 中国 lcd 产业无论是在产业规模还是产业地位方面都会有很大的提升。 tft-lcd(thin film transistor-liquid crystal display，薄膜晶体管液晶显 示器)其具有体积小，功耗低，无辐射，平面直角显示和影响稳定等优点。基于tft- lcd 技术上的日趋成熟以及其自身

18、的众多优良特性，它很快的被应用于医疗系统、电视、 个人电脑等各个领域。迅速成为新世纪以来，显示器市场的主流产品。在fpd 市场， 液晶显示器，液晶产品占 80%以上的市场份额，占有绝对优势地位。 高分辨率大尺寸 tft-lcd 是电子显示技术研究的优先主题。在 tft-lcd 产业链中， 控制和驱动电路设计是一个非常重要的组成部分。随着 tft-lcd 面板尺寸的不断扩大， 对灰度等级的要求越来越高，控制和驱动电路的设计 的难度也越来越大。使用最低成 本将原始图像在 tft-lcd 上生动地再现，带给人强烈的视觉冲击感，一直以来都是 tft-lcd 从业者，尤其是控制和驱动电路设计师一直追求的

19、目标。 日本是最早从美国获得 lcd 技术的国家，一直在全球的 lcd 市场中居统治地位， 而且掌握 tft-lcd 制造的核心技术。韩国和中国台湾也掌握大量的 tft-lcd 的生产制 造技术和驱动技术。我国的 tft-lcd 技术起步较晚，而且在 tft-lcd 显示驱动研究方 面落后于其他国家，最近几年，随着政府对 tft-lcd 产业的重视,技术和研究的进步 也很明显。研究的重点多集中于高清晰显示面板灰度级的提高和大面积液晶显示面板 驱动的实现。 tft-lcd 薄膜晶体管液晶显示器利用电压控制来产生灰阶。其利用薄膜晶体管来 产生电压，以控制液晶转向的显示器， 因此称为 tft-lcd

20、。但如何控制电压以便显示 出怎样的灰阶是由 lcd 源驱动来决定的。但随着液晶面板尺寸和灰度等级不断提高， 传统的 tft-lcd 驱动器已不能满足实际需求，找到一种适用于大屏幕，高清 晰度 tft- lcd 的时序驱动器，将会对 tft-lcd 产业的发展前景产生重大影响。本设计正是基于 这样的背景，研究了 tft-lcd 高清晰显示抖动算法驱动器。 1.21.2 研究内容及意义研究内容及意义 对 tft-lcd 的研究一直在追求显示图像和视频的高清晰度、超高灰度级和高还原 度。但是，我们不仅要将我们的目光聚焦在 tft-lcd 面板材料的改进和图像编码压 缩或前端处理，我们还需要充分注意到

21、人的视觉和物理发光体的数字图像信息转换过 程之间的关系。以找到高分辨率的 tft-lcd 的定时控制和灰度控制方法。这 将会对 tft-lcd 产业的发展前景产生重大影响。 随着灰度等级的不断提高，使用传统的灰度调制方法 已经越来越难以满足日益进 步要求。例如，为了实现超高灰度显示，电压幅值调制方法要求具有足够高的灰度级 电压精度，时间调制法如 frc（帧速率控制调制法） 、pwm（脉宽调制法）则要求具 有足够快的数据传输速度。 实际上，要想彻底的解决这些问题却是相当困难的。 为了克服这些难题，本文提出了基于传统灰度调制方法的混合灰度调制法，即将 几种传统灰度调制法有机结合的方法，但仍然存在着

22、一些不足之处。基于这样的研究 背景，本文对混合灰度调制法中核心部分即抖动算法存在的不足之处进行了改善和补 充，以完善图像显示的缺陷。灰度，即图像清晰度，是图像显示的一项重要的性能参 数指标，决定了能否在 tft-lcd 上高保真的还原原始图像，也决定了 tft-lcd 显示 屏能否满足市场各个领域的要求。因此，本课题的研究具有十分重要的意义。 本文主要内容如下两个方面： 1.tft-lcd 显示系统灰度调制理论 当显示灰度等级不断提高时，传统的灰度调制方法将不能满足高灰度调制的要 求，如电压幅度调制要求更高的电压精度， pwm 和 frc 要求更高的响应速度。为解 决这个技术瓶颈，需要找到一种

23、适用高灰度显示的调制方法。本文介绍了一种将传统 灰度调制方法有机结合的混合灰度调制方法。 2.高清显示中抖动算法的实现 抖动算法是将数据分配到相邻的像素点上去，从而解决输入显示终端所能显示的 灰度等级与输入信号不匹配的问题。传统的抖动算法在处理动态图像时有很好的效果， 但处理静态图像时，会产生明显的方块效应，其产生原因是传统抖动算法在处理不同 数据时采用了相同的抖动矩阵，为消除这个缺陷，本文提出了利用变化的旋转抖动矩 阵对不同数据进行不同的处理，从而消除方块效应。 1.31.3 论文安排论文安排 第一章-绪论。主要介绍课题的研究背景、主要研究内容、研究意义及论文整体安 排。 第二章- fpga

24、 开发技术及硬件描述语言。主要介绍 fpga 技术、设计流程、开 发平台以及硬件描述语言 verilog hdl。 第三章- tft-lcd 灰度图像显示。简单介绍传统灰度 调制方法，主要分析传统灰 度调制方法的缺点以及有待改进的部分，介绍混合灰度调制的数据处理过程 。 第四章- tft-lcd 灰度图像显示系统设硬件设计。重点介绍系统设计的总体方案 以及各个模块的具体硬件电路 设计。 第五章- tft-lcd 灰度图像显示系统设软件设计。重点介绍系统设计各个模块的 具体软件设计。 第六章-抖动技术的实现。介绍抖动技术的原理与算法， 对传统 bayer 抖动算法 进行分析，并对抖动算法在实际中

25、应用发现的不足加以改进，根据理论分析提出旋转 抖动算法和具体实现。对于旋转抖动算法，通过不断调整抖动矩阵中不同阈值的相对 位置，消除了块状效应，并从理论上推导出对于不同的帧所采用的抖动矩阵的具体形 态。 第七章-系统功能模块仿真与 fpga 验证。对功能模块进行了仿真，并根据需要 搭建了相应的 fpga 验证平台对抖动算法进行验证。 第八章总结与展望。主要对本文开展的研究工作进行总结，同时分析了有待研 究和有待完善的问题，为将来的进一步的研究开拓思路打下基础。 第二章第二章 fpgafpga 开发技术及硬件描述语言开发技术及硬件描述语言 fpga 是英文 field programmable

26、gate array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是 在可编程阵列逻辑 pal(programmable array logic)、门阵列逻辑 gal(gate array logic)、可编程逻辑器件 pld(programmable logic device)等可编程器件的基础上进一 步发展的产物。它最为专用集成电路（asic）领域中的一种数字集成电路的半成品， 在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，不仅 解决了定 制电路的不足，而且还克服了可编程器件具有有限个门电路数的缺点。采用fpga 设 计，可以完成任何数字器件的功能。通过修改设计，在无需改变硬件电路的条件

27、下， 大大的降低设计时间，减少 pcb 面积，提高系统的可靠性。 2.12.1 fpgafpga 简介简介 fpga 采用了逻辑单元阵列 lca（logiccellarray）这样一个概念，内部包括可配 置逻辑模块 clb（configurablelogicblock） 、输出输入模块 iob（inputoutputblock）和内部连线（interconnect）三个部分。fpga 的基本特点 主要有： （1）采用 fpga 设计 asic 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （2）fpga 可做其它全定制或半定制 asic 电路的中试样片。 （3）fpga 内部有丰富的触发器和

28、 io 引脚。 （4）fpga 是 asic 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5）fpga 采用高速 chmos 工艺，功耗低，可以与 cmos、ttl 电平兼容。 可以说，fpga 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 fpga 是由存放在片内 ram 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 ram 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，fpga 芯片将 eprom 中数据读入片内编程 ram 中，配置完成后，fpga 进 入工作状态。掉电后，fpga 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， fpga 能够

29、反复 使用。fpga 的编程无须专用的 fpga 编程器，只须用通用的 eprom、prom 编程器即可。 当需要修改 fpga 功能时，只需换一片 eprom 即可。这样，同一片 fpga，不同的编程 数据，可以产生不同的电路功能。因此， fpga 的使用非常灵活 2.22.2 quartusquartus iiii 开发平台开发平台 本文采用 altera 公司的 fpga 开发平台 quartus ii 软件是一个全面的开发工具， 它集成了 altera 的 fpga 开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口，该综合开 发工具为每个阶段的设计提供 quartus ii 图形用户界面，e

30、da 工具界面和命令行界 面，设计者可以方便地创建、组织和管理自己的设计 。 quartus ii 是 altera 公司的综合性 pld/fpga 开发软件，支持原理图、 vhdl、verilog hdl 以及 ahdl（altera hardware description language）等多种 设计输入形式，内嵌自有的综合器以及 仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完 整 pld 设计流程。 quartus ii 可以在 xp、linux 以及 unix 上使用，提供了完善的用户图形界面 设计方式。quartus ii 运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用 。 2.32.3 f

31、pgafpga 设计流程图设计流程图 fpga 设计流程至少包括设计输入、仿真、综合、布局布线 4 个步骤。如图 2-1 所示，将设计细分为 8 个步骤。开始设计前，应定义系统的规格（ spec） ，例如输入 与输出管脚、工作频率、工作电压、允许消耗功率等，最好能够将系统划分为多个功 能模块，并详细描述每个功能那块的功能。数字电路设计可采取由自上而下设计、自 下而上或平坦设计，第二步架构设计就是确认每个功能块的设计顺序。 设计输入软件通常提供以电路图、 hdl（硬件描述语言）或两者的混合设计。电 路图的设计方式相当直接、方便、只要略懂逻辑电路设计，都可直接绘图设计。但是 以 hdl 设计，才可

32、兼具可移植性与标准化。不论是哪种设计，设计软件都会转换为 hdl，以便进行仿真、综合等功能。仿真是验证设计的正确性，包括功能仿真与时序 仿真。功能仿真在综合与布局布线之前，忽略时间延迟因素，只就逻辑功能进行仿真。 而时序仿真则是在布局布线之后，考虑时间延迟问题。 综合是由 hdl 产生布局布线要使用的网表，与相对应的约束条件，综合直接影响 逻辑门的使用效率和设计性能。布局布线是利用综合生成的网表，在 fpga 内部进行 布局与布线，并且产生可用于布局 fpga 的位文件（.bit） 。布局布线需要使用 fpga 生成厂商提供的工具软件，如 xilinx 的 foundation series

33、和 alliance series，altera 的 quartus ii 和 max+plus ii。设计的最后步骤是使用实际设计的硬件电路进行测试， 以确认设计无误。 描述规格 描述规格 架构设计 架构设计 设计输入 设计输入 编译、功能仿真 编译、功能仿真 综合 综合 布线与布局 布线与布局 时序仿真 时序仿真 电路测试 电路测试 图 2-1 fpga 设计流程图 说明：本课题使用 quartus ii 进行 fpga 设计开发。其设计流程如图 2-2 所示： 设计输入 设计输入 综合 综合 功耗分析 功耗分析 仿真 仿真 调试 调试 布局布线 布局布线 时序分析 时序分析 编程和配置

34、编程和配置 工程更改和管 理 工程更改和管 理 时序逼近 时序逼近 包括基于模块的设计系 统级设计和软件开发 包括基于模块的设计系 统级设计和软件开发 图 2-2 quartus ii 的设计流程图 利用 quartus ii 软件进行 fpga 或 cpld 设计开发，如同自行设计集成电路一 样，可节省电路开发的费用和时间。 2.42.4 硬件描述语言硬件描述语言 verilogverilog hdlhdl verilog hdl 语言是目前应用最广泛的硬件描述语言之一，它允许设计者用其来进 行各种级别的逻辑设计，以及数字逻辑系统的仿真验证、时序分析和逻辑综合。 verilog hdl 语言

35、与 vhdl 的共同的特点是：能抽象表示电路的行为和结构，支 持逻辑设计中层次与范围的描述，可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述， 具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，支持电路描述由高层到低层的综合转 换，硬件描述与实现工艺无关（有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去），便 于文档管理，易于理解和移植。 verilog hdl 语言的最大优点是：它是一种非常容易掌握的硬件描述语言，只要有 c 语言的编程基础，通过一段时间的学习和简单操作，可以在较短时间内掌握这种设 计技术。 2.4.12.4.1 verilogverilog 硬件描述语言的主要能力硬件描述语言的主要能力 下面列

36、出的是 verilog hdl 硬件描述语言的主要能力： 基本逻辑门，例如 and、or 和 nand 等都内置在语言中。 用户定义原语（udp）创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组合逻辑原语， 也可以是时序逻辑原语。 开关级基本结构模型，例如 pmos 和 nmos 等也被内置在语言中。 提供显式语言结构指定设计中的端口到端口的时延及路径时延和设计的时序检 查。 可采用三种不同方式或混合方式对设计建模。这些方式包括：行为描述方式， 使用过程化结构建模；数据流方式，使用连续赋值语句方式建模；结构化方式， 使用 门和模块实例语句描述建模。 verilog hdl 中有两类数据类型：线网数据类型

37、和寄存器数据类型。线网类型表 示构件间的物理连线，而寄存器类型表示抽象的数据存储元件。 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次。 设计的规模可以是任意的；语言不对设计的规模（大小）施加任何限制。 verilog hdl 不再是某些公司的专有语言而是 ieee 标准。 人和机器都可阅读 verilog hdl 语言，因此它可作为 eda 的工具和设计者之 间的交互语言。 verilog hdl 语言的描述能力能够通过使用编程语言接口（ pli）机制进一步扩 展。pli 是允许外部函数访问 verilog 模块内信息、允许设计者与模拟器交互的例程集 合。 设计能够在多个层次上加以描述，从

38、开关级、门级、寄存器传送级（ rtl）到 算法级，包括进程和队列级。 能够使用内置开关级原语在开关级对证约束条件，例如输入值的指定。 verilog hdl 能够监控模拟验证的执行，即模拟验证执行过程中设计的值能够被 监控和显示。这些值也能够用于与期望值比较，在不匹配的情况下，打印报告消息。 在行为级描述中，verilog hdl 不仅能够在 rtl 级上进行设计描述，而且能够 在体系结构级描述及其算法级行为上进行设计描述。 2.4.22.4.2 模块设计模块设计 使用 verilog 描述硬件的基本设计单元是模块（ module）。构建复杂的电子电路， 主要是通过模块的相互连接调用来实现的。

39、模块被包含在关键字 module、endmodule 之内。实际的电路元件。 verilog 中的模块类似 c 语言中的函数， 它能够提供输入、输出端口，可以实例调用其他模块，也可以被其他模块实例调用。 模块中可以包括组合逻辑部分、过程时序部分。 例如，二与门电路用 verilog 语言描 述如下： module and_2(a,b,f); /模块名为 and_2，端口列表 a,b,f input a,b; /模块的输入端口为 a,b output f; / 模块的输出端口为 f wire a,b,f; /定义信号地数据类型 assign f=a /逻辑功能描述 endmoudle 一个模块可

40、以大到代表一个完整的系统，也可以小到仅代表最基本的逻辑单元。 模块内部具体行为的描述或实现方式的改变，并不会影响该模块与外部之间的连接关 系。一个 verilog 模块可被任意多个其他模块所调用，但由于 verilog hdl 所描述的 是具体的硬件电路，一个模块代表具有特定功能的一个电路块，每当它被某个其他模 块调用一次，则在该模块内部，被调用的模块将原原本本的复制一次。 在模块中，可用下述方式描述一个设计： 1) 数据流方式; 2) 行为方式; 3) 结构方式; 4) 上述描述方式的混合。 2.52.5 小结小结 本章介绍了 fpga 开发技术，quartus ii 开发平台，verilo

41、g hdl 硬件描述语言的 主要能力以模块化设计。本系统采用 altera 公司的 ep1c6q240c8 为核心开控制器， 采用模块化进行程序设计，简化了外围电路的复杂度，使开发更加灵活。 第三章第三章 灰度调制灰度调制 3.13.1 传统灰度调制方法传统灰度调制方法 灰度显示即使 tft-lcd 屏上的显示像素产生多种可选的亮度等级，其亮度等级的 选择由图像采集的二进制的灰度数据决定。从另一个角度来说，灰度显示就是实现二 进制灰度数据空间 g 到亮度空间 l 的映射，如框图 3-1 所示。 图像输入和 前端处理 图像输入和 前端处理 图像存储 （数据空间g， 线性三维） 图像存储 （数据空

42、间g， 线性三维） 扫描控制器 扫描控制器 灰度数据驱动 （dac、 gamma校正） 灰度数据驱动 （dac、 gamma校正） tft-lcd显示平面 （亮度空间l） tft-lcd显示平面 （亮度空间l） 二维坐标控制 g到l的映射一维灰度数据控制 图 3-1 传统 tft-lcd 显示流程框图 改变像素亮度，实现多种的亮度等级有多种的映射方法：（ 1）根据液晶器件显 示的工作原理，通过调节电压和液晶的状态来改变输出亮度，上述框图所示的就是应 用了这个原理。 （2）从空间角度出发，即改变发光面积。（3）从时间角度出发，考虑 人眼的特性，改变光脉冲的时间宽度和频率。如采用脉冲宽度调制（ p

43、wm） 、帧频调 制（frc）等方式。下面将介绍各种灰度调制的基本原理。 3.1.1 传统灰度调制介绍传统灰度调制介绍 灰度调制实现像素数据从灰度空间到亮度空间的映射，有多种不同的映射方法。 常用的灰度显示方法有： 1.1.根据液晶器件的工作原理，通过改变电压、调节液晶状态来改变输出光强的电压组合根据液晶器件的工作原理，通过改变电压、调节液晶状态来改变输出光强的电压组合 法。法。 通过给液晶层施加不同的电压值来改变液晶的偏转角度，进而改变光线的透过率和 输出光的强度，这样就可以实现灰度显示，因此，实现电压幅值调制灰度法，需要考 虑的是如何将数字图像信号转换为不同的灰度电压值，且一一对应。在实际

44、的 tft- lcd驱动系统中，采用dac来实现二进制数字图像信号到灰度电平的转换。采用电压 幅值灰度调制法时，需要考虑电压精度的问题。 2.2.从空间的角度出发，使用面积控制方式，改变发光面积的面积灰度调制法。从空间的角度出发，使用面积控制方式，改变发光面积的面积灰度调制法。 使用一定数目的点作为一个单元，通过控制各单元处于点亮状态的点数，来控制 不同的灰度显示，从空间上改变液晶的显示状态，达到灰度等级的控制，该方法驱动 电路简单。采用面积灰度调制法时，需要考虑空间大小的问题。 3.3.从时间的角度出发，考虑人眼的时间暂留特性，通过改变光脉冲的时间长度、次数。从时间的角度出发，考虑人眼的时间

45、暂留特性，通过改变光脉冲的时间长度、次数。 实现不同的灰度级的如实现不同的灰度级的如pwmpwm（脉冲宽度调制法）（脉冲宽度调制法） 、frcfrc（帧速率控制调制法）（帧速率控制调制法） 。 pwm（脉冲宽度调制法）就是通过调整电压脉冲宽度调制来实现灰度。 pwm调 制方法是一种时间调制法，也称 为占空比的方法，即通过控制驱动电压或电流脉冲中 高脉冲的占空比，以实现灰度控制。 frc 是将每个时间片变成了一个子帧，显示 64 级灰度，那么就要用 64 个子帧 (sub-frame)。我们采用下面的方法定义子帧的概念。帧频是指 1 秒内扫描全屏数据的 次数，为了实现 frc，我们进一步将一帧划

46、分为若干个子帧。 frc 其实就是采用相应 比特数的帧间延展控制的方法实现不同灰度等级。由于人眼的视觉惰性，感觉出的亮 度是所有于帧的累加。采用 frc 调制，同样要考虑 tft-lcd 面板的响应速度。 3.1.23.1.2 传统灰度调制比较传统灰度调制比较 各种灰度调制方法有其各自的特点： 电压灰度调制方法利用器件发光强度与驱动电流或电压幅值成线性关系来实现灰 度的变化，这种控制方法没有特殊的控制技巧，容易实现，但是随着灰度级别的提高， 各灰度等级所对应的电压值间距变小，从而对电压的精度要求越高，增加了细加工的 成本，实现难度也相应提高。 面积灰度调制法使用一定数目的点作为一个单元，控制各

47、单元处于点亮状态的点 数，来控制灰度的差异，该方法驱动电路简单，但是使用多像素点区分灰度级，单个 像素点占用显示面积增大，使得显示分辨率降低。 pwm 通过控制脉冲的占空比来实现灰度级别的控制，按照每个脉冲的高低电平的 通断时间来导通或断开电压，这样导通和断开的时间占脉冲的时间不等，可以区分很 多的灰度级，这种方法灰度级的区分度很高，但是随着灰度级的增加，每个脉冲所占 用的时间片就很短，lcd 本身不能快速响应这些短时间片的驱动信号，因而也限制了 待显示灰度电平的数目。 frc 是将每一个时间片分成了多个子帧，在每一个子帧中像素点的亮、熄有固定 的时间，根据像素数据改变子帧中该像素点的亮、熄来

48、区分灰度级别， pwm 和 frc 这两种方法都是从时间的角度出发，考虑人眼的视觉特性，通过改变光脉冲的时间长 度，次数来实现不同级别的灰度，这两种方法都须使用高时钟频率的控制器才可以实 现高灰度级显示。 传统灰度调制法相关控制方法综合分析如下表 3-2 所示。 表 3-2 常用灰度控制方法综合分析 方法原理特点适用范围 幅值法器件发光强度与驱动 电流或电压幅值成线 性关系 容易实现，精度低led,oled 电压组合法驱动电压幅值按一定 步长划分成多个子电 压来组合灰度 精度低led,oled 面积灰度调制每一定数目的像素点 作为一个单元，控制 各个单元处于点亮状 态的点数 电路简单，驱动及控

49、 制电路增加，分辨率 低 led,oled,lcd 脉冲宽度调制 （pwm） 输出驱动脉冲的占空 比与数据大小成正比 时间复杂，要求显示 屏有较高响应速度 fed,oled,led 帧速率控制法 （frc） 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 扫描频率不能过高， 难以实现高灰度级 led 3.2 混合灰度调制混合灰度调制 针对传统灰度调制的不足，对于实现更高等级的灰度，采用混合灰度调制。 考虑 到本系统所使用的高灰度级 tft-lcd 显示屏采用 6 位屏作为显示输出屏，即显示屏 只能接受 6bit 的 r、g、b 信号。本系统将采用 6bitpwm+2bitf

50、rc+2bit 面积灰度调制 （抖动处理）的混合灰度调制方法，利用像素间灰度相互影响的关系，从时间和空间 角度上寻求对像素的亮、暗进行控制，实现不同灰度级的调制。 3.2.13.2.1 混合灰度调制原理混合灰度调制原理 具体实现如下：对于高灰度级 r,g,b像素数据，vga信号经过ad转换模块数字化， 分别产生10bit的r、g、b信号。将10bit中的低2bit分割出来用于空间面积灰度调制 （抖动处理） ，把低2bit的像素数据所包含的信息，均匀地从空间上分配给相邻的各像 素点上，多像素分担信息实现灰度级提高，这 2bit数据可以区分4个灰度等级，这种 方法称为抖动处理。从图3-3 可看出,

51、对于输入的10 bit 数字图像信号, 先将10 bit 数据中的低2 bit 数据分割出来用于抖动处理 (空间算法) , 把低2 bit 的像素数据 所包含的信息分配到相邻空间的像素点上。例如 : 采用2 * 2 的抖动矩阵, 矩阵包含 4个像素点, 其中1个像素点亮, 其余3个像素点暗, 可以代表一种灰度,同样, 2个像 素点亮, 2个像素点暗代表第二种灰度 ,3个像素点亮, 1个像素点暗代表第三种灰度 ,4 个像素点全暗代表第四种灰度 , 故2bit 数据可以区分4个灰度等级, 这种方法称为抖 动处理。经过抖动处理后的数字图像信号由 10 bit 变为8 bit, 将这8 bit 像素数

52、据 分割成高6 bit 和低2 bit, 其中高6 bit 数据用于幅值调制, 低2 bit 数据用于frc, 这2 bit 数据可以将1 个像素点数据灰度显示分成 4个子帧来显示, 从而实现4个灰度 等级( 见图3-4) 。因此, 将这3 种灰度调制方法有机结合, 可实现1024个灰度等级。 3.2.23.2.2混合灰度调制数据处理过程混合灰度调制数据处理过程 图 3-3 混合灰度调制数据处理过程 数数字字信信号号帧帧1 0 0 1 1 1 0 0 1 帧帧4帧帧3帧帧2灰灰度度级级 图 3-4 2bit frc 灰度调制 对于视频数据，使用抖动处理可以获得良好的灰度显示效果，抖动处理的具体

53、实 现方法第 6 章将详细介绍。使用混合调制方法，在不需要增加帧频的情况下，提高灰 度调制能力，提高灰度级别数，并保持足够的响应速度，消除图像显示中的闪烁，拖 影等视觉现象；减少芯片的使用面积，降低功耗和制造成本。 3.33.3 小结小结 本章首先从传统灰度调制方法入手，详细分析了电压幅值灰度调制、面积灰度调 制、pwm 调制、frc 灰度调制等传统灰度调制方法的工作原理，并且对各种灰度调 制方法的优缺点进行总结。 其次，结合各种传统灰度调制方法的优点，提出了一种混合灰度调制方法架构， 将电压幅值、空间面积灰度调制、pwm 调制、frc 灰度调制从空间和时间上有机的 结合在一起。简单介绍了这种

54、混合灰度调制结构的数据处理过程。 第四章第四章 tft-lcdtft-lcd 图像显示系统硬件设计图像显示系统硬件设计 4.14.1 总体设计方案总体设计方案 高灰度级 tft-lcd 图像显示系统包括 vga 图像信号采集，ad 转换模块，fifo 控 制模块，灰度调制和数字图像预处理模块， lvds（低压差分信号）转换模块。其硬件 设计的总体方案如图 4-1 所示。其中红线框内为 fpga 芯片。 图 4-1 高灰度级 tft-lcd 显示系统硬件结构 4.24.2 vgavga 信号采集及信号采集及 d/ad/a 转换模块转换模块 系统使用vga数据线采集到vga信号为输入信号,vga(

55、video graphics array) 信号即绘图阵列是一种模拟信号, 系统为了方便fpga芯片对信号进行数字处理和对信 号的缓存, 需将vga模拟信号通过ad转换模块转换成30 bit rgb 信号和4 bit 时序控 制信号, 并输入到fpga 中的对应模块进行后续数据处理和对 lcd 显示时序的控制。 4 4. .2 2. .1 1 a ad d9 99 98 84 4a a的的器器件件特特性性与与结结构构 本系统中采用ad9984a芯片作为将vga模拟信号转换成数字信号的 d/a转换模块。 以下简单介绍ad9984a芯片。 ad9984a 是一款完整的 10 位、170 msps、

56、单芯片模拟接口，针对捕获 ypbpr 视频 和 rgb 图形信号进行了优化。它的编码速率达 170 msps，具有 300 mhz 全功率模拟带 宽，支持最高达 1080p 的所有高清电视视频模式，以及最高达 uxga（1600 1200，60 hz）的图形分辨率。ad9984a 内置一个 170 mhz 三通道 adc，其中具有内部 基准电压源、锁相环(pll)以及可编程增益、失调和箝位控制功能。用户仅需提供 1.8 v 电源和模拟输入。三态 cmos 输出可以采用 1.8 v 至 3.3 v 电源供电。ad9984a 片内 pll 从三级同步信号（用于 ypbpr 视频）或水平同步信号（用

57、于 rgb 图形）产生采样 时钟。采样时钟输出频率范围为 10 mhz 至 170 mhz。内部产生 coast 信号时，pll 可 以在无同步输入的情况下维持其输出频率。利用 32 级采样时钟相位调整功能可以维持 输出数据、同步和时钟相位之间的关系。通过自动失调特性，可以自动恢复信号基准 电平，并校准消除三个通道之间的失调偏差。利用通道间增益自动匹配特性，可以使 三个通道之间的增益不匹配最小。 ad9984a 还能针对复合同步和绿同步 (sog)应用提供 完全同步处理。箝位信号既可以在内部产生，也可以由用户通过 clamp 输入引脚提供。 ad9984a 采用先进的 cmos 工艺制造，提供

58、 80 引脚、无铅、薄型四方扁平封装 (lqfp) 或 64 引脚架构芯片级封装(lfcsp)，节省空间；额定温度范围为 0c 至 70c。 4 4. .2 2. .2 2 a ad d9 99 98 84 4a a的的寄寄存存器器配配置置 ad9984a内部集成了多个寄存器，其中设置这些不同的寄存器的值可以实现 ad9984a不同的工作模式，ad9984a工作模式寄存器的设置决定了该芯片的电气特性和 实际功能。关于ad9984a的寄存器设置如表4-1所示。 表4-1 ad9984寄存器配置表 地址寄存器名有效的 bits默认值描述 0 x00 芯片版本 7-000100000 版本信息 0

59、x01 pll 分频器 高位 7-001101001 pll 分频器高 8 位 0 x02 pll 分频器 低位 7-41101* pll 分频器低 4 位 7-601* * 设置 voc 频率范围 5-3*00 1* 设置泵电流 0 x03 pll 的 voc 设 置 2* *0* 外部时钟使能 0 x04 adc 相位调节 7-310000* adc 时钟相位调整，值越大延迟越 高 0 x05 红色通道增 益控制高位 （对比度 9 位） 6-0*1000000 控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低（高 7bit） 0 x06 红色通道增 益控制低位 （对比度 9 位） 7-000*

60、控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低 (低 2bit) 0 x07 绿色通道增 益控制高位 （对比度 9 位） 6-0*1000000 控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低（高 7bit） 0 x08 绿色通道增 益控制低位 （对比度 9 7-000* 控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低 (低 2bit) 位） 0 x09 蓝色通道增 益控制高位 （对比度 9 位） 6-0*1000000 控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低（高 7bit） 0 x0a 蓝色通道增 益控制低位 （对比度 9 位） 7-000* 控制 adc 调整增益，值越大对比度 越低 (低 2bi