基于FPGA的大屏幕全彩LED掃描控制器設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了一種以FPGA 可編程邏輯器件為設(shè)計(jì)平臺(tái)的、采用大屏幕全彩led 顯示屏進(jìn)行全彩灰度圖像顯示的掃描控制器實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)過(guò)對(duì)“19 場(chǎng)掃描”理論灰度實(shí)現(xiàn)原理的分析，針對(duì)采用該方法實(shí)現(xiàn)的全彩LED 顯示屏刷新頻率受串行移位時(shí)鐘限制的缺點(diǎn)，提出了一種新式的實(shí)現(xiàn)高階灰度顯示的逐位點(diǎn)亮控制方法，在進(jìn)行FPGA 電路設(shè)計(jì)中采用單獨(dú)的計(jì)數(shù)器來(lái)控制屏幕的刷新頻率，使全彩LED 顯示屏的設(shè)計(jì)在L ED 的發(fā)光效率和刷新率之間的調(diào)整更加靈活。最后，根據(jù)大屏幕全彩LED 顯示屏的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本文討論的灰度控制方法，給出了FPGA 屏體掃描控制器的內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框架。

　　1 、引言

　　作為大型平板顯示設(shè)備的一種，LED 顯示屏以其使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、功耗低等特點(diǎn)在顯示領(lǐng)域占有重要的位置。特別在近年，帶有紅、綠、藍(lán)三基色以及灰度顯示效果的全彩LED 顯示屏，以其豐富多彩的顯示效果而倍受業(yè)界關(guān)注，成為L(zhǎng)ED 顯示屏市場(chǎng)近年增長(zhǎng)幅度比較大的產(chǎn)品。壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點(diǎn)距、對(duì)比度、灰度等級(jí)（包括灰度級(jí)數(shù)和線(xiàn)性度） 、掃描頻率等指標(biāo)性能是衡量或橫向比較大型顯示設(shè)備好壞的標(biāo)準(zhǔn)。而這些指標(biāo)性能的優(yōu)劣，很大程度上決定于掃描控制器的性能。因此對(duì)大屏幕全彩L ED 顯示掃描控制方法的研究有著重要的意義。

　　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)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。全彩LED 顯示屏一般采用逐位點(diǎn)亮的掃描方式實(shí)現(xiàn)灰度圖像顯示。對(duì)于顯示灰度級(jí)數(shù)為8 位的LED 顯示屏，一般采用“19場(chǎng)掃描”原理來(lái)實(shí)現(xiàn)256 級(jí)灰度顯示。L ED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)更新一般采用串行輸出方式，如采用595 進(jìn)行設(shè)計(jì)的靜態(tài)LED 全彩顯示屏，根據(jù)“19 場(chǎng)掃描”原理，對(duì)于分辨率等規(guī)格確定的屏體，當(dāng)串行移位時(shí)鐘確定時(shí)，顯示屏的刷新頻率和LED 的發(fā)光效率（一個(gè)掃描周期內(nèi)，LED的最長(zhǎng)點(diǎn)亮?xí)r間所占的比例） 也就被確定。本文提出了一種新的逐位點(diǎn)亮掃描方式，該方式對(duì)典型的“19場(chǎng)掃描”方式進(jìn)行了改進(jìn)，可以在串行移位時(shí)鐘確定的條件下，在一定范圍內(nèi)對(duì)刷新率和發(fā)光效率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而提高了產(chǎn)品根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境和客戶(hù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)的靈活性。

　　2 、逐位點(diǎn)亮的灰度實(shí)現(xiàn)算法設(shè)計(jì)

　　以8 位“19場(chǎng)掃描”理論為例，所謂逐位點(diǎn)亮，即從一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數(shù)據(jù)，分8 次點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的像素，每一位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間與關(guān)斷時(shí)間的占空比不同。如果點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位依次倍增，則合成的點(diǎn)亮?xí)r間將會(huì)有256 種組合。定義D0 位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間加上關(guān)斷時(shí)間為一個(gè)時(shí)間單位，設(shè)為T(mén) ，可得表1 所示各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間。

　　表1 “19場(chǎng)掃描”顯示時(shí)各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中， T也是對(duì)LED 顯示屏進(jìn)行一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時(shí)間。表1 所示的總時(shí)間是T 的整數(shù)倍，所以每個(gè)數(shù)據(jù)位所占用的總時(shí)間可以通過(guò)刷新一次屏幕數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行定時(shí)。在進(jìn)行LED顯示屏設(shè)計(jì)時(shí)，整個(gè)顯示屏中LED 的亮與滅可以通過(guò)總控線(xiàn)EN 控制，當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間≥1 T時(shí)，EN 控制顯示屏處于常亮狀態(tài)，而當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間《 1 T 時(shí)，可以通過(guò)控制EN 產(chǎn)生相應(yīng)占空比的控制波形來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)位的亮度控制?？梢?jiàn)，利用“19場(chǎng)掃描”原理，在串行移位時(shí)鐘和屏體具體規(guī)格確定的情況下，其刷新率也就被確定了，并且具有固定的發(fā)光效率η。

　　η =6 點(diǎn)亮?xí)r間6 總時(shí)間≈ 16 T19 T≈ 84 % （1）由灰度顯示的原理可以知道，能否實(shí)現(xiàn)灰度顯示，決定于各個(gè)數(shù)據(jù)位的點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位是否以2 的倍數(shù)遞增，而關(guān)斷時(shí)間的長(zhǎng)短只會(huì)影響發(fā)光效率的大小。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，使用了8～10 位的非線(xiàn)性灰度校正，因此需要實(shí)現(xiàn)10位灰度掃描控制。定義“t”為點(diǎn)亮?xí)r間的一個(gè)時(shí)間單位，則可得表2 所示的時(shí)間分配。如果定義數(shù)據(jù)為“1”有效（點(diǎn)亮） “， 0”無(wú)效（熄滅） ，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)從000H 到3FFH 變化時(shí)，點(diǎn)亮?xí)r間在0t～1 023t 變化，而亮度控制總時(shí)間則保持不變，從而實(shí)現(xiàn)了10 位占空比控制，采用這種灰度控制方法可以實(shí)現(xiàn)1 024 級(jí)的灰度顯示。與“19 場(chǎng)掃描”原理不同，本文控制點(diǎn)亮的時(shí)間不是通過(guò)屏幕刷新來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是采用單獨(dú)的計(jì)數(shù)器來(lái)進(jìn)行計(jì)時(shí)控制的。

　　表2 　逐位點(diǎn)亮控制中各位數(shù)據(jù)點(diǎn)亮?xí)r間分配表

　　設(shè)使用串行方式更新整場(chǎng)視頻圖像一位數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間為T(mén)s ，如果Ts 滿(mǎn)足：

　　則完成一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時(shí)間在Dn - 1位所需要的點(diǎn)亮?xí)r間和Dn 位的點(diǎn)亮?xí)r間之間，這個(gè)時(shí)間也許小于一個(gè)時(shí)間t。由于串行數(shù)據(jù)更新時(shí)間和點(diǎn)亮?xí)r間可以部分重疊，設(shè)屏幕的刷新率（即顯示數(shù)據(jù)幀從顯示緩存讀出進(jìn)行屏幕顯示更新的頻率） 為f r ，可以得到式（3） 。

　　當(dāng)串行時(shí)鐘頻率和屏體參數(shù)確定， Ts 便可計(jì)算出來(lái)。此時(shí)，如果設(shè)定了屏幕的刷新率，結(jié)合式（2） 和式（3） ，對(duì)n 從0～9 進(jìn)行窮舉計(jì)算，可以得到同時(shí)滿(mǎn)足兩式條件的n 值，同時(shí)可以確定單位時(shí)間t 的值。由此得到的t 值，通過(guò)FPGA 進(jìn)行定時(shí)控制，便可實(shí)現(xiàn)一定刷新率的全彩灰度控制。

　　這里L(fēng)ED 的發(fā)光效率可以用式（4） 表示。

　　從式（3） 可知，當(dāng)串行移位時(shí)鐘頻率一定，即Ts 確定的情況下，刷新率f r 與單位時(shí)間t 成反比。而式（4） 表明，發(fā)光效率η和單位時(shí)間t 成正比?？梢?jiàn)，刷新率和發(fā)光效率成反比關(guān)系，提高刷新率的同時(shí)必然要犧牲發(fā)光效率。因此，采用上述掃描方式，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和客戶(hù)的要求在刷新率和發(fā)光效率兩者之間進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。