基于CPLD的LED大屏幕視頻控制系統(tǒng)

3 視頻控制器單元的實(shí)現(xiàn)

3.1 灰度掃描方法

對于多灰度級(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=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)