基于FPGA的彩色LED大屏幕控制系統(tǒng)

　　LED（Light Emitting Diode）大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業(yè)界和廣告界的極大重視。隨著科技的進步，全彩LED顯示屏（RGB三基色）逐漸得到普及應(yīng)用。LED大屏幕是21世紀廣告業(yè)發(fā)展的趨勢，是具有音視頻功能的戶內(nèi)外廣告展示設(shè)備，屬國際領(lǐng)先的高科技產(chǎn)品。不僅外觀新穎獨特，其面積可隨意調(diào)整，能播放音視頻廣告節(jié)目，而且四面還可裝固定燈箱廣告位，現(xiàn)各地政府都鼓勵推行使用戶外LED大屏幕，陸續(xù)取消帆布廣告、燈箱廣告審批。

　　本方案采用Actel的FPGA實現(xiàn)對彩色LED屏的控制，對于系統(tǒng)的可靠性大大增強，而且低成本的單芯片大大減輕了系統(tǒng)的成本。

　　1.概述

　　1.1 功能概述

　　選擇FPGA實現(xiàn)LED全彩屏的控制，主要考慮系統(tǒng)的性能需求，系統(tǒng)的升級需要以及系統(tǒng)的設(shè)計成本等因素。現(xiàn)代社會對信息顯示效果的高要求，以及視頻數(shù)據(jù)量的加大，對顯示控制器提出了挑戰(zhàn)，如圖 1所示。本文實現(xiàn)的LED全彩屏主要實現(xiàn)了以下功能：

　　● 保證全彩LED顯示屏顯示顏色不失真；

　　● 能夠?qū)崿F(xiàn)256級灰度；

　　● 能正確顯示文字、圖片、動畫等信息；

　　● 可以接收PC機輸出的DVI數(shù)據(jù)流實時顯示。

圖1 LED顯示屏應(yīng)用示例

　　1.2 系統(tǒng)框圖

　　控制器主要完成對LED掃描板的控制和顯示，其中包括色度控制、灰度控制、數(shù)據(jù)重構(gòu)以及存儲形式、掃描方式的選擇等方面?？刂破鞯墓δ芸驁D如圖 2所示。

圖2 LED顯示屏控制器功能框圖

　　2.各功能模塊介紹

　　控制器實現(xiàn)的主要難點在于其灰度的控制。利用人眼的視覺效應(yīng)，我們知道，只要刷新頻率足夠高不產(chǎn)生LED器件閃爍的現(xiàn)象時，LED器件點亮的時間越長，顯示的亮度就越強。為此我們將使用LED器件亮滅時間的占空比波形來控制灰度級別。下面我們分別介紹在8場掃描和19場掃描方式下的灰度控制。

　　2.1 8場掃描模塊

　　8場掃描方式是針對串行驅(qū)動LED顯示屏而提出的。以最常見的8bit位寬的顯示數(shù)據(jù)來說，我們分8次顯示，第一次將8位數(shù)據(jù)的第0位顯示在LED屏上，第2次將8位數(shù)據(jù)的第1位顯示在LED顯示屏上，這樣重復操作，直至將8位數(shù)據(jù)全部顯示在LED顯示屏上。只要掃描的頻率足夠高，那么將8次顯示的效果疊加，就可以得到一個完整數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)顯示效果。我們把一個LED點陣屏所有的像素點對應(yīng)的同一數(shù)據(jù)位點亮一遍稱為一場，8位數(shù)據(jù)共需8場才能顯示完，把這種方式稱為“8場掃描”。

　　“8場掃描”方式下，每一個數(shù)據(jù)位對應(yīng)的點亮時間如所示。我們設(shè)掃描一行的時間為T。從表 1可以看出，這種方式的點亮的效率是比較低的。

表1 數(shù)據(jù)對應(yīng)點亮時間

基于上述的8場掃描方式，如圖3所示，我們將8場掃描每一場分別對應(yīng)一個固定的占空比信號，用于控制LED器件的亮滅。從分析可知，8位數(shù)據(jù)的每一位權(quán)值：1，2，4，8，16，32，64，128，就是每一場對應(yīng)的占空比因子，每一場占空比分別為：1/256，2/256，4/256，8/256，16/256，32/256，64/256，128/256。一個像素點的完整占空比值等于每一位0/1數(shù)據(jù)和對應(yīng)的權(quán)值乘積之和，計算可知這個比值剛好是從00到FF，這就構(gòu)成了256種灰度級別。

圖3 數(shù)據(jù)位灰度權(quán)值

　　2.2 19場掃描模塊

　　基于上一小節(jié)中介紹的“8場掃描”，我們知道8場掃描的嚴重缺點是點亮的效率比較低。所以，作為控制器的一個功能提升，我們設(shè)計了“19場掃描”的方式，這種方式延續(xù)了串行驅(qū)動的思想，只是在數(shù)據(jù)位讀取方面做了一些改動。

　　如圖 4所示，可以看出19場設(shè)計的原理是將數(shù)據(jù)的高位連續(xù)多顯示幾次，以提高數(shù)據(jù)的顯示亮度。19場掃描數(shù)據(jù)低5位時和8場掃描是一樣的，但第5位連續(xù)讀2次，第6位連續(xù)讀4次，第7位連續(xù)讀8次。

圖4 8場掃描和19場掃描的位地址

　　同時需要注意的一點是：在改變數(shù)據(jù)位顯示次數(shù)的時候，應(yīng)遵循不改變其顏色的占空比值為前提。

　　通過計算證明19場掃描方式的每一個數(shù)據(jù)位讀取次數(shù)是比較合理的。19場掃描灰度控制和8場的灰度控制是一樣的原理，19場掃描方式下，雖然對一個8bit數(shù)據(jù)總共顯示了19次，但數(shù)據(jù)位依然是從第0位掃描到第7位，所以只要給固定的數(shù)據(jù)位加載其對應(yīng)的占空比信號來控制其灰度顯示就能符合要求。

　　2.3 控制器時鐘樹設(shè)計

　　本文中控制器因為綜合了兩種掃描方式，每一種掃描方式的工作頻率又不一樣，所以整個控制器涉及了較多的工作頻率，也即跨時鐘域工作的現(xiàn)象很多，如圖 5所示，這里就充分利用了FPGA的時序邏輯資源。Actel FPGA的時鐘網(wǎng)絡(luò)相當豐富，除了全局時鐘網(wǎng)絡(luò)以外，內(nèi)部還具有分段式的布線結(jié)構(gòu)，可以使得FPGA內(nèi)部具有可以高達252個時鐘。

圖5 系統(tǒng)時鐘域分布圖

　　此外，由于控制器需要處理的數(shù)據(jù)比較龐大，根據(jù)FPGA的設(shè)計思想，采用乒乓操作實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲，以提高數(shù)據(jù)的處理速度。在數(shù)據(jù)來源方面，控制器可以顯示內(nèi)部存儲的靜態(tài)圖像，也可以顯示外部輸入的數(shù)據(jù)。在處理前級系統(tǒng)傳輸來的數(shù)據(jù)的時候，就涉及到數(shù)據(jù)的接口問題。根據(jù)FPGA的接口處理設(shè)計思想，采用FIFO作為數(shù)據(jù)的接口，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

　　3.市場應(yīng)用

　　LED顯示屏在信息發(fā)布場合已經(jīng)是很常見了，常被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習、電子景觀等領(lǐng)域，如圖 6所示。隨著對生活質(zhì)量的要求越來越高，LED顯示屏也可用于室內(nèi)裝飾、展廳顯示等，在未來LED顯示屏的應(yīng)用將會越來越廣泛，應(yīng)用Actel的FPGA可以為LED控制器提供最佳的方案。

圖6 LED顯示屏應(yīng)用實例