采用CPLD器件實(shí)現(xiàn)LED大屏幕視頻控制系統(tǒng)的256級(jí)灰度掃描方案

1 復(fù)雜可編程邏輯器件概述

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）最早出現(xiàn)于80年代后期，由于其高速、設(shè)計(jì)靈活、成本低、延時(shí)可預(yù)測等特點(diǎn)，一經(jīng)面世便得到廣泛的應(yīng)用。世界各主要PLD廠商都紛紛推出了自己的 CPLD產(chǎn)品，如 Altera公司的 MAX系列，Xilinx的XC9500和Spartan系列，Lattice公司的ispLSI系列等。

1.l 復(fù)雜可編程邏輯器件的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的FPGA相比，CPLD最大的特點(diǎn)在于其延時(shí)可預(yù)測性。在互連特性上，CPLD采用連續(xù)互連方式，即用固定長度的金屬線實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互連，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜的布局布線和多級(jí)實(shí)現(xiàn)問題，能夠方便地預(yù)測設(shè)計(jì)時(shí)序，同時(shí)保證了CPLD的高速性能。用戶的仿真與實(shí)際系統(tǒng)集成后無太大的時(shí)間差異，不會(huì)給系統(tǒng)造成性能的波動(dòng)，即系統(tǒng)具有穩(wěn)定的可編程性，這使得軟件控制下硬件的改變不受器件的影響。

1.2 isp LSI簡介

Lattice 公司研制的在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路（ispLSI）系列芯片具有高密度、高速度和在線可編程等特點(diǎn)［2］，使設(shè)計(jì)變得容易，并且不需要更改線路板就可以立即更改設(shè)計(jì)，代表了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展方向。ispLSI包括以下幾個(gè)主要部分：GLB（通用邏輯塊），GRP（集總布線區(qū)），ORP（輸出布線區(qū)），I/O單元和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。

（1） GLBispLSI的基本單元是GLB。每個(gè)GLB有18個(gè)輸入，4個(gè)輸出，以及實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)邏輯功能的必要邏輯。GLB的輸入來自GRP和專門輸入端，GLB的輸出反饋回GLB，以便它們能連接到任何別的GLB的輸入端。

（2） GRPispLSI芯片中部有一個(gè)集總布線區(qū)，該布線區(qū)在連線延時(shí)恒定且可預(yù)知的前提下，提供了完善的片內(nèi)邏輯互連性能。

（3） ORPORP提供了GLB輸出與芯片輸出引腳之間靈活的連接途徑。

（4） I/O單元每一個(gè)I/O單元直接連接到一個(gè)I/O引腳。每個(gè)I/O都可編程為輸入、輸出和雙向單元，并可根據(jù)所需要編程為鎖存或寄存功能。每16個(gè)I/O Cell分為一組。8個(gè)GLB，16個(gè)I/O Cell，一個(gè)ORP和2個(gè)專用輸入連在一起，組成一個(gè) Megablock（組合模塊）。8個(gè)GLB的輸出通過ORP連到16個(gè)I/O Cell。每個(gè)Megablock共享一個(gè)OE信號(hào)。

（5） 時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)以1032 為例，時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)專用的時(shí)鐘輸入端：Y0，Y1，Y2和Y3;另外的一個(gè)專用時(shí)鐘輸入來自GLB的輸出。5個(gè)時(shí)鐘輸出：CLK0，CLK1， CLK2，I/O CLK0和I/O CLK1，用來提供到GLB和I/O單元的時(shí)鐘線路。CLK0，CLK1和CLK2用作GLB的時(shí)鐘信號(hào);I/O CLK0和I/O CLK1則用作I/O Cell的時(shí)鐘信號(hào)。

2 LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)原理

LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)由于具有亮度高、視角廣、壽命長、性價(jià)比高，因此在銀行、交通、廣場、體育場館等公共場合得到了廣泛的應(yīng)用。筆者用按位分時(shí)顯示的方法研制了256×256灰度級(jí)的LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)，畫面清晰穩(wěn)定，顏色豐富，取得了良好的視覺效果。

視頻控制系統(tǒng)是LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種顯示控制信號(hào)，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分割、存儲(chǔ)、灰度掃描并按特定的方式輸出數(shù)據(jù)到顯示屏體供驅(qū)動(dòng)顯示。從電路組成看，視頻控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)箱體內(nèi)的預(yù)處理卡及顯示屏體內(nèi)的可級(jí)聯(lián)的視頻控制器單元;視頻控制器單元（或預(yù)處理卡）由控制單元 （CPLD）和存儲(chǔ)器單元（SRAM組）以及I/O接口單元等部分組成。計(jì)算機(jī)屏幕上每8×16行單色數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)兩片SRAM存儲(chǔ)器（1024列×8×16 行為1個(gè)存儲(chǔ)器單元）8×1位數(shù)據(jù)口，所有存儲(chǔ)器的地址和控制信號(hào)由一片控制芯片（ispLSI1032E）產(chǎn)生。它們?cè)陲@示系統(tǒng)中的關(guān)系如圖1所示。

大屏幕顯示范圍為1024列×768行，時(shí)鐘頻率65MHz，整個(gè)顯示區(qū)域分為6個(gè)存儲(chǔ)器單元，每個(gè)存儲(chǔ)器單元對(duì)應(yīng)1024列×128行數(shù)據(jù)，2個(gè)存儲(chǔ)器單元及1片控制芯片共同組成一個(gè)視頻控制器單元（3個(gè)視頻控制器單元可以級(jí)聯(lián)控制1024列×768行）。計(jì)算機(jī)視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理卡（如γ反校正）后輸出到視頻控制器單元，視頻控制器單元根據(jù)時(shí)鐘和行、場同步信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割并分時(shí)寫入到2個(gè)存儲(chǔ)器單元內(nèi)，視頻控制器的存儲(chǔ)器單元同時(shí)讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)灰度調(diào)制后變成串行數(shù)據(jù)流，并行輸出到顯示屏體驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)移位后以1行為周期打入到屏體顯示，同時(shí)行掃描信號(hào)以19行數(shù)據(jù)刷新時(shí)間為周期進(jìn)行垂直掃描。

3 視頻控制器單元的實(shí)現(xiàn)

3.1 灰度掃描方法

對(duì)于多灰度級(jí)LED大屏幕顯示而言，灰度的分層（灰度掃描）顯示方法是視頻控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時(shí)間近似成正比，所以灰度等級(jí)的實(shí)現(xiàn)通常是由控制LED的發(fā)光時(shí)間與掃描周期的比值，即采用調(diào)制占空比來實(shí)現(xiàn)的。

（1） 灰度掃描約束公式

首先給出幾個(gè)定義：行周期h指視頻控制器輸入1行數(shù)據(jù)的時(shí)間，即計(jì)算機(jī)輸出視頻行周期。顯示基本時(shí)間單位td定義為灰度級(jí)為1的像素在屏體的對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r間。幀掃描周期T定義為存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)器中1幀圖像的讀出時(shí)間，存儲(chǔ)器中1幀圖像對(duì)應(yīng)2×8×16行1/n屏（n=l，2，3，…）輸入視頻圖像。幀頻F為幀掃描周期的倒數(shù)，為滿足人眼的視覺要求，假定幀頻不低于60Hz。屏體顯示效率η定義為幀掃描周期內(nèi)LED屏體全亮（即全屏數(shù)據(jù)皆為最高灰度級(jí)）時(shí)間與幀掃描周期的比值。全屏顯示指視頻控制器每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)列數(shù)為計(jì)算機(jī)屏幕全屏的有效顯示列數(shù)，相對(duì)應(yīng)的是半屏顯示、l/3屏顯示等等。

設(shè)顯示灰度等級(jí)數(shù)為N，由于灰度級(jí)為1的像素在屏體的對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r間為td，因而灰度線性調(diào)制后灰度級(jí)為i的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為i×td，灰度級(jí)最高的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為（N-1）×td。通常的考慮［3］是在td內(nèi)完成對(duì)存儲(chǔ)器一行數(shù)據(jù)的一次讀出，同時(shí)以td為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打入到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N 級(jí)灰度級(jí)數(shù)，幀掃描周期為

由以上分析可知，高的灰度級(jí)數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲(chǔ)器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級(jí)數(shù)，就必須提高存儲(chǔ)器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當(dāng)灰度級(jí)數(shù)較高時(shí)，以目前的集成電路實(shí)現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。

解決的方法之一是大量采用并行結(jié)構(gòu)，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復(fù)雜程度也有所增加;另一種方法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率η以求得幀頻與速率的折中，這種方法經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是可行的。

仍然以td作為顯示基本時(shí)間單位，以對(duì)存儲(chǔ)單元1行數(shù)據(jù)的一次讀出時(shí)間作為屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間（屏體數(shù)據(jù)打入周期），引入“消隱時(shí)間”的概念：“消隱時(shí)間”指屏體正常工作時(shí)間里的無效顯示時(shí)間。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間可以大于顯示基本時(shí)間單位，即在屏體數(shù)據(jù)更新低灰度級(jí)時(shí)存在“消隱時(shí)間”，它雖然使顯示效率有所下降，但可以實(shí)現(xiàn)較低的掃描速率和較高的掃描幀頻。舉例來說，若屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間為h，而顯示基本時(shí)間單位td為h/16，則灰度級(jí)為1的數(shù)據(jù)會(huì)引入 15/16行“消

隱時(shí)間”，灰度級(jí)為2的數(shù)據(jù)會(huì)引入7/8行“消隱時(shí)間”…，灰度級(jí)為8的數(shù)據(jù)會(huì)引入1/2行“消隱時(shí)間”，而灰度級(jí)為16的數(shù)據(jù)則不會(huì)引入“消隱時(shí)間”，這樣就能在不提高存儲(chǔ)器讀出速率（λ≤1）的情況下（而且可以降低存儲(chǔ)器讀出速率Vo=32.5MHz，h=31.7，λ=0.5）實(shí)現(xiàn) 256級(jí)灰度掃描。這時(shí)幀掃描周期為

T=（1+1+1+1+1+2+4+8）×h×m=304h=9.64（ms） （11）

幀頻為，F(xiàn)=1/T=103.6（Hz） （12）

但這時(shí)LED大屏幕顯示屏體的顯示效率降低為

η‘’=（1/16+1/8+1/4+1/2+1+2+4+8）×h×m/T=83.88% （13）

也可以取顯示基本時(shí)間單位td為h/32或h/8，經(jīng)計(jì)算得256級(jí)灰度td與幀頻F的關(guān)系如圖2所示，td與LED屏體顯示效率η的關(guān)系如圖3所示。

設(shè)計(jì)中考慮到幀頻與LED屏體顯示效率的折中，采用td=h/16，即存儲(chǔ)器讀出速率等于1/2數(shù)據(jù)輸入速率，顯示基本時(shí)間單位為1/16 倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^對(duì)灰度數(shù)據(jù)按位分時(shí)顯示的方法實(shí)現(xiàn)，即計(jì)算機(jī)屏幕圖像以每像素24bit輸出（紅、綠、藍(lán)各8bit）時(shí)，通過給每種顏色8bit 字節(jié)的不同位分配不同的顯示時(shí)間達(dá)到灰度顯示的目的。比如，最低位（第8位）對(duì)應(yīng)1/16行顯示時(shí)間，第7位對(duì)應(yīng)1/8行顯示時(shí)間，…，第2位對(duì)應(yīng)4行顯示時(shí)間，最高位對(duì)應(yīng)8行顯示時(shí)間。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間以行周期為單位，最低位對(duì)應(yīng)更新時(shí)間為1行時(shí)間，其中顯示1/16行時(shí)間，其余15/16行時(shí)間里，由控制電路產(chǎn)生消隱信號(hào)進(jìn)行消隱，其余位類同。

3.2 視頻控制器單元設(shè)計(jì)

根據(jù)上述256級(jí)灰度視頻數(shù)據(jù)灰度掃描的原理設(shè)計(jì)了256級(jí)灰度視頻控制器，原理（單個(gè)顏色通道）如圖4所示。

按功能來分，設(shè)計(jì)的視頻控制器單元可以分為四個(gè)部分：控制單元、存儲(chǔ)器單元（SRAM）、數(shù)據(jù)緩沖器和接口單元。視頻控制器單元的核心是存儲(chǔ)器單元，計(jì)算機(jī)屏幕上每128行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)器單元，顯示屏所要實(shí)時(shí)顯示的內(nèi)容（即計(jì)算機(jī)屏幕圖像數(shù)據(jù)）都存放在存儲(chǔ)器單元中。控制單元產(chǎn)生存儲(chǔ)器單元的地址信號(hào)和分時(shí)選通控制信號(hào)及灰度掃描控制信號(hào)如掃描地址信號(hào)、消隱、移位、鎖存脈沖等。數(shù)據(jù)緩沖器用于實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的讀寫（輸出輸入）緩沖。接口單元用于產(chǎn)生符合顯示屏驅(qū)動(dòng)電路接口格式的信號(hào)。當(dāng)一個(gè)幀存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入時(shí)，另一個(gè)幀存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描讀出，這樣兩組存儲(chǔ)器可以分別交替工作于視頻數(shù)據(jù)高速掃描和高速寫入兩種方式，因而可以提高數(shù)據(jù)讀寫的速率和顯示屏的幀頻，播放出來的圖像更加穩(wěn)定。

3.3 視頻控制器單元設(shè)計(jì)

視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大，要求實(shí)時(shí)處理，加之LED大屏幕的數(shù)字邏輯相當(dāng)復(fù)雜，采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制電路，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試。筆者利用Lattice公司的CPLD器件，用按位分時(shí)顯示的方法設(shè)計(jì)了256級(jí)灰度*256級(jí)灰度（紅、綠雙基色）視頻控制器單元的控制單元部分，經(jīng)測試畫面清晰穩(wěn)定，顏色豐富，取得了預(yù)期的效果。以下是設(shè)計(jì)的大致過程。

首先是器件選型。為了提高器件的利用率，從結(jié)構(gòu)化觀點(diǎn)出發(fā)，統(tǒng)計(jì)出視頻控制器存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)緩沖器和接口單元需要的控制信號(hào)數(shù)目為56，決定采用1片Lattice的ispLSI1032作為控制芯片。該芯片包含32個(gè)GLB，192個(gè)寄存器，I/O口及輸入數(shù)為72，門

數(shù)為6000，速度為70MHz，具有在系統(tǒng)編程功能，能夠比較高效地滿足應(yīng)用要求，同時(shí)還可兼顧系統(tǒng)今后的重構(gòu)。

按照設(shè)計(jì)要求，控制芯片用于產(chǎn)生讀、寫地址信號(hào)、掃描地址信號(hào)、分時(shí)選通控制信號(hào)和一些顯示控制信號(hào)如消隱、移位、打入脈沖等。在設(shè)計(jì)中采用了“自頂向下，逐步細(xì)化”的策略。

設(shè)計(jì)中開發(fā)軟件采用Lattice公司的EDA工具ispEXPERT7.0，設(shè)計(jì)輸入采用了原理圖和硬件描述語言混合輸入的方法，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。定時(shí)分析結(jié)果為最小時(shí)鐘周期為26.7ns，時(shí)鐘周期計(jì)算公式為時(shí)鐘周期=路徑延時(shí)+時(shí)鐘到輸出端延時(shí)+建立時(shí)間

存儲(chǔ)單元采用雙總線結(jié)構(gòu)的高速SRAM，每行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)19行時(shí)間讀出，讀出后幀頻為103.6Hz。計(jì)算機(jī)視頻工作頻率為65MHz，行頻48.4kHz，幀頻60Hz。

4 結(jié)束語

本文討論了LED大屏幕視頻控制器單元中的灰度掃描方法，提出了256級(jí)灰度掃描時(shí)的實(shí)現(xiàn)方案，并用CPLD器件實(shí)現(xiàn)其控制電路。由于采用了EDA工具，降低了設(shè)計(jì)難度，縮短了開發(fā)周朗，同時(shí)由于只需一片集成電路即可實(shí)現(xiàn)過去需要幾十片中規(guī)模集成電路的控制功能，印刷板的面積大大縮小，系統(tǒng)抗干擾能力顯著增強(qiáng)，此外ISP功能給電路板的調(diào)試和系統(tǒng)的維護(hù)帶來了很大的方便，并且有利于系統(tǒng)今后的升級(jí)和重構(gòu)。