基于FPGA的全彩色高清大屏LED掃描控制系統的設計朱瑋鵬，王玲（湖南大學 電器與信息工程學院，湖南 長沙，410000，E-mail:）摘 要：介紹了一種具有高清顯示能力的LED大屏幕全彩顯示屏的驅動控制系統的設計方案。在FPGA內部實現系統各控制模塊，對其反校正模塊和灰度掃描模塊的原理和實現進行了著重介紹。主控制芯片采用了Altera公司的低端芯片系列Cyclone的EP2C8Q208，很好的控制了成本。列驅動芯片采用聚積科技的MBI5026，最高移位頻率可達25MHz，使整個系統有很大的擴展性。最后，根據設計結果，給出了反校正和灰度掃描的仿真波形。關 鍵 詞：LED顯示屏；掃描驅動；FPGA；反校正；灰度中圖分類號：TN27;TN702文獻標識碼：A作者簡介：朱瑋鵬（1986），男，碩士研究生，研究方向為LED顯示器的驅動電路與器件0 引 言LED 顯示屏作為一種大型顯示設備，具有亮度高、價格低、壽命長、維護簡便等優點。紅，綠，藍三基色組成的全彩色LED顯示屏，以畫面清晰艷麗，對比度高，色彩效果豐富而備受關注。業界一般從壽命、單位面積亮度、三基色的偏差程度、點距、對比度、灰度等級(包括灰度級數和線性度)、掃描頻率等指標來衡量或橫向比較大型顯示設備的好壞1。LED顯示屏能不能獲得優異的上述指標性能，與其掃描控制器的設計是否合理息息相關，其中反校正模塊和灰度掃描模塊的設計更是尤為關鍵。1 反校正的研究由于以前使用最廣泛的CRT顯示器的顯像管的電光轉換是非線性的，而攝影機記錄的數據是線性的，如果不加處理的把攝影機的原始數據輸入顯示器顯示，就會有色彩還原不真實的情況發生。為了克服這一現象，一般會在傳輸之前對視頻信號進行預校正，來實現攝像機數據（亮度）到CRT顯示器數據（亮度）的線性變換，從而得到原始圖像的逼真還原，這個預校正過程一般稱為校正。LED卻不同，它的電光轉換是線性的，如果把經過了校正的數據直接輸入LED顯示屏進行輸出，反而會使顯示畫面的低灰度級跳變過快，高灰度級層次不清。因此，LED顯示屏在接受適用于CRT屏的圖像數據信號時，必須要進行適當的灰度校正，稱之為反校正。對數字視頻數據進行反校正的方法有很多，如插值法，多項式回歸法，查找表法等。插值法誤差較大，多項式回歸法速度較慢，這里重點介紹一下兼顧誤差和速度的查找表法。查找表法一般是通過FPGA實現，其內部的存儲器可配制出內置查找表的ROM，輸出延遲最小可達納秒級，可以完全滿足對實時性要求苛刻的視頻數據的處理2。查找表法是用一個查找表來代替繁瑣復雜的非線性運算，即根據已知的反公式，事先將所有輸入灰度值對應的校正之后的輸出灰度值算好，配置到ROM中形成表格，在使用時只需根據輸入信號的值取查詢這個表就能得到反運算的結果值。（1）式（1）中是輸入灰度級，為對應的輸出灰度級，在確定的值之后，可以很方便的計算出與輸入對應的輸出。我們已經知道LED顯示屏接收到的色彩信號是經過校正的R,G,B各8位的24位并行數據，可實現256級灰度顯示。通過反校正，轉換成R,G,B各12位的4096級灰度顯示。取值越大，圖像暗部的灰度等級越細膩，黑色和白色的反差也變大，但圖像的整體顯示質量也將下降，所以在實踐中，的取值一般為1.6到2.8之間。2 灰度掃描的研究灰度是指畫面上亮度的等級差別。灰度掃描控制，也就是對發光單元的亮度的控制。人眼對快速的亮暗閃爍并不敏感，通過變換發光體的點亮時間和點亮面積來區分亮度，就能形成一種不同灰度畫面的錯覺，實現灰度級。一般灰度級越高，所顯示圖像的層次越分明，圖像越細膩。2.1 灰度實現方案LED顯示屏的灰度實現方案有很多種，如幅值法，電壓組合法，空間法，時分法，幀灰度法，脈寬調制法和子場法3。表1 常用灰度控制方案灰度實現方法灰度實現原理該方法特點幅值法器件發光強度與驅動電流或電壓呈線性關系實現容易，但精度低電壓組合法驅動電壓幅值按一定步長劃分為多個子電壓來組合灰度精度低空間法每一定數目的點作為一個單元，控制各單元處于點亮狀態的點的個數電路簡單，控制和驅動電路增加，分辨率低時分法在每個顯示周期內按照灰度級平均等分出小的時間間隔脈沖難以實現高灰度級幀灰度法一定數量的幀作為一個時間單元，控制該單元內處于點亮狀態的幀數掃描的頻率不能過高，難以實現高灰度級脈寬調制法輸出驅動脈沖的占空比比數據大小成正比時序復雜，要求顯示屏有較快的響應速度子場法一場數據分為幾個部分（子場），每個部分的點亮時間對應不同的權值要求高頻率的驅動控制電路，實現難度大2.2 線性權值子場法子場法是目前LED顯示屏灰度控制中最常用的一種方案，現在以一個像素點的灰度實現來介紹這種方案。用一個n位二進制數D=d0,d1,.,dn-1表示顯示的灰度，那么對同一個像素點可以通過n場分別以d0,d1,.,dn-1對應的占空比d0/20,d1/21,d2/22.,dn-1/2n-1循環顯示，當n場循環足夠快時，人們會因為視覺惰性而只能看到n場顯示的平均效果，這樣就實現了這個像素點的2n級灰度顯示4。定義每場時間為T，T由LED的導通時間和非導通時間兩部分組成。由于采用了線性權值法，前一場導通的時間是后一場的兩倍。（2） （3）其中d0,d1,.,dn-1等于0或1。發光效率=導通時間/總時間100%，發光效率決定了發光亮度。當d0,d1,.,dn-1全為1時，根據式(2)式(3)可知導通時間為2T，發光效率=2T/nT100%.一般的，經過反校正后的灰度數據D將達到12位，這時采用這種方法的發光效率=2T/12T16.67%，亮度遠遠達不到要求。要提高亮度，只有增加一個周期內的導通時間。現在把每場的導通時間相應的擴大N倍（N是2的倍數），則導通時間和總時間的關系如表2，表2 每場導通時間和總時間的關系方案每場導通時間導通總發光效率第0場第1場第2場第3場.第10場第11場時間時間/%11TT/2T/4T/8.T/1024T/20482T12T16.6722T1TT/2T/4.T/512T/10244T13T30.7734T2T1TT/2.T/256T/5128T16T5048T4T2T1T.T/128T/25616T23T69.57516T8T4T2T.T/64T/12832T38T84.21.122048T1024T512T256T.2T1T4095T4095T100研究表明，刷新率要達到60Hz以上，人眼才感覺不到閃爍，屏幕越大，刷新率要求越高。此次設計因為是針對大屏幕顯示，所以要求刷新率為120Hz，即每一屏的顯示時間為8ms，如果采用方案5，則顯示數據的總時間為38T，那么T=8.3ms/38218s，因為是靜態顯示屏，所以每行掃描一次的時間就是218s。以此類推，得表3：表3 總時間與每T時間關系表方案總時間每行一次掃描時間/s112T691213T638316T518423T360538T218.124095T2可見在亮度提升的同時，留給每行一次掃描的時間在減少，這就要求驅動控制芯片必須要擁有很高的頻率，增加了硬件成本，當分辨率增加時，這種成本的增加尤為明顯。且芯片頻率不可能無上限提高，這也就制約了亮度的無限增大，應根據需求選擇最合適的方案。3 FPGA的實現LED大屏幕顯示器擁有高分辨率，高刷新率，需要實時處理的數據量大，且其驅動控制系統的數字時序邏輯相當復雜，采用FPGA來實現該控制系統可以集眾多模塊于一身，很好的簡化電路，方便調試5。本文設計的LED大屏全彩顯示器的驅動控制系統，涉及到數據接收模塊，數據緩沖模塊，反校正模塊，灰度掃描模塊，數據存取模塊和數據輸出模塊等。整個系統模塊框圖如圖1所示。本文主要是對驅動控制系統中的反校正模塊和灰度掃描模塊進行討論，利用FPGA作為主掃描控制芯片實現了對由紅，綠，藍三色組成的LED大屏幕顯示系統的控制。圖1 大屏幕LED顯示器控制系統整體框圖3.1 反模塊的實現FPGA的IP核技術能夠非常方便的在FPGA內部配置出常用的模塊，我們只需修改其端口就能在自己的系統中直接調用以實現相應功能，避免了重復勞動，縮短了開發時間。在實踐中，當顯示器處于不同明暗環境中時，所需反校正的力度也是不同的，一般取1.62.8等分的4個值，對應的查找表置于不同的ROM中，供用戶手動選擇分別用于不同的環境，也可安裝亮度檢測設備讓顯示器自動選擇。以單色反校正為例。由于與的取值有4個，對應的ROM也有4個，這需要使用2根地址線gamma_s來產生使能信號，根據當前設定的值選擇與之匹配的ROM。8位的色彩數據addr_color_in占用8根地址線，同時接到4個ROM的輸入端，但只有被gamma_s使能選中的ROM才能有數據輸出，這樣就實現了單個顏色的反校正，另兩種顏色通過同樣的方法校正，之后data_color_out數據送到灰度掃描模塊中產生灰度數據，內部結構如圖2所示。對反校正模塊進行仿真驗證，結果如圖3，切換時僅延遲兩個時鐘周期，反應迅速準確，達到設計要求。圖2 反校正模塊內部結構圖3 反校正模塊的仿真3.2 灰度掃描模塊的實現本設計的驅動控制系統要求用于分辨率為1280720的720P高清大屏幕LED顯示器上，刷新率要求120Hz。通過對表2和表3的分析，采用發光效率為84.21%的方案5，點頻率約為5.87MHz，這對于最高移位頻率達25MHz的列驅動器件MBI5026來說，是很可靠的。灰度掃描芯片通過產生MBI5026的控制時序信號來形成灰度。MBI5026為16位恒流串入并出移位寄存器，共有3個控制信號。CLK為移位時鐘信號，上升沿到來時，數據從串行輸入口SDI上移入顯示緩存，同時MBI5026內部所有的緩存值向串行輸出口SDO方向移一位，最靠近SDO的緩存值則從SDO口移出，輸入到下一級MBI5026中。LE為數據鎖存信號，只有當LE出現高脈沖時，16位并行輸出引腳上的值才會被MBI5026內部的緩存值改變，且是同時改變。OE為使能信號，只有當OE為低電平時，16位并行引腳上才有效輸出，換言之，只有當OE為低電平時，LED燈才受輸入數據控制。前面已經算出LED的點頻率為5.87MHz，所以灰度模塊生成的clk_shift頻率應為5.87MHz，每行一次掃描時間內要完成1280次移位，所以LE信號應每隔1280個clk_shift周期生成一個高電平脈沖，持續至少50ns。使能信號OE是實現灰度的核心，它的有效時間直接關系到LED燈的點亮時間，12位灰度數據從低位到高位對應的點亮時間從T/128倍增到16T，各位組合就能顯示4096級灰度。OE用LE的下降沿觸發，這樣可以保證輸出灰度信號的穩定和準確。灰度掃描控制時序仿真如圖4。圖4 灰度掃描控制模塊的仿真在設計控制時序時，考慮到OE的有效時間如果完全按照從16T倍減到T/128的順序，會使最亮和最暗的場分布在每幀的兩端，有可能在幀過渡時因為亮度的突變而引起不必要的閃爍感，解決方法是在數據緩存時就將12位灰度數據打亂換位存儲，輸出的點亮時間就不會按兩倍的時間倍減，人眼就只能感受到平均亮度而不會察覺到不連續感。此外，FPGA內部還集成了讀寫地址發生器，以實現對FIFO，SDRAM和雙口RAM的控制，其中雙口RAM采用“乒乓操作”輪流接收和讀出數據以實現LED顯示屏顯示畫面的無縫銜接。4 結 語本文對LED顯示屏常用的反校正方法和灰度實現方法進行了討論，對查找表法反校正和子場灰度掃描法進行了詳細論述。并在此基礎上進行分析，在亮度和分辨率都留有提高余地的情況下選擇了點亮效率為84.21%的方案5實現4096級灰度，經過仿真驗證了設計的正確合理。基于FPGA進行設計的掃描控制系統配置靈活，可在客戶要求下調整分辨率，刷新率和亮度，無論是在要求高亮度的室外靜態掃描屏還是高分辨率的室內分時掃描屏上都能很好的適用。參考文獻1 楊庚.LED顯示屏灰度等級的提高及非線性校正J.液晶與顯示，2001,16(2):150-156.(Yang Geng. Increasement in Color Depth and Brightness Nonlinear Correction of LED DisplaysJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2001, 16(2):150-156.)2 馬曉陽.LED顯示屏校正的研究和實現J.電光與控制，2010,17(6):92-96.(Ma Xiaoyang.Research and Implementation of Correction of LED Display ScreenJ. Electronics OpticsControl,2010,17(6):92-96.)3 嚴利民，王浩，金晨，等.平板顯示器件的灰度顯示優化結構J.液晶與顯示，2008,23(5):567-571.(Yan Li-min,Wang Hao,Jin Chen,et al.Optimized Structure of Gray Scan in Flat-Panel DisplayJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2008,23(5):567-571.)4 靳桅，鄔芝權，李騏，等.基于51系列單片機的LED顯示屏開發技術M.北京：北京航空航天大學出版社，2009:238-241(Jin Wei,Wu zhi-quan，Li Qi,et al.Develop Technology of LED Screen Based on 51 Series MicrocontrollerM.Beijing:Beijing Aerospace University Press,2009.)5 梁志明，李斌.基于FPGA的大屏幕全彩LED掃描控制器設計J.液晶與顯示，2007,22(4):477-481.(Liang Zhi-ming,Li bin.Design of Scan Controller in Large LED Screen Based on FPGA CircuitJ. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2007,22(4):477-481.)Design of Scan Control System for LED Screen Based on FPGAZhu Weipeng, Wang Ling（College of Electronic and Information Engineering,Hunan University, Changsha 410000,China, E-mail:）Abstract：In this paper,it introduces a design method of a scan control system for large LED screen,which could display full color and high density images.Realize co