ＬＥＤ全彩屏數字視頻信號處理電路的設計

摘 要：為了解決全彩LED同步視頻顯示屏灰度級低、刷新速度不高的問題，根據LED大屏的驅動結構，設計了256級顯示灰度時刷新率可達90 Hz的數據處理電路。該電路的設計，應用了數字視頻數據信號位面分離的策略，采用了分場寫入、分區讀出緩存存儲器的方法。詳細介紹了電路的數據處理流程和關鍵功能模塊的實現。實際測試表明，該設計滿足了高亮度、低圖像閃爍、無掉色的技術指標。

關鍵詞：LED顯示；數據處理電路；EDA統計;位面分離

中圖分類號：TN321 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1717403

Design of Digital Video Signal Processing Circuit for LED Full-color Display

LI Junyan1，2，GAO Yang2，ZHOU Yan1，LIU Jia1，CAI Linfei3

(1.Information Engineering School，Southwest University of Science Technology，Mianyang，621010，China;

2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang，621900，China;

3.Jiuzhou State Authorized Enterprise Technology Center，Shenzhen，518104，China)

Abstract：To solve the problem of low grey scale and refresh rate existed in full-color LED synchronous video display screen，data processing circuit is designed according to the LED screen driver architecture.The digital video signals bit plane separation strategy is applied in the circuit design，and the sub-field writing-in and sub-area readout to the cache memory method is used.It can reach 90 Hz refresh rate at 256 grey scales.Data process flow and critical functional modules′ implementation are introduced.Functional test shows that the design meets the specifications of high brightness，less image flutter and no colour missing.

Keywords：LED display;data processing circuit;EDA design;bit plane separation

1 引 言

LED視頻顯示屏由于亮度高、視角廣、壽命長、性價比高，而且具有可與計算機同步顯示各種文字、圖形、圖像，可實時播放電視、錄像、影碟等視頻信號，可即時輸入、編輯各種多媒體數據等優點，使其在街頭、廣場、商業中心、運動場所、娛樂場所、控制中心許多公共場合得到了廣泛的應用。但是由于技術的問題，特大視頻顯示屏還面臨著嚴峻的挑戰，主要表現在灰度級低，亮度損失嚴重，刷新速度低。另外，本文的視頻信號源來自DVI(Digital Video Interface)接口，DVI接口輸出的為數字視頻信號，信息量大，一般是先經過外部RAM(Random Array Memory)緩存，然后由處理器對視頻信號進行處理。可用于數字圖像存儲的外部存儲器有很多種，如SRAM，DRAM和SDRAM，它們的容量和速度各不相同。DRAM和SDRAM屬于動態存儲器，容量大，使用中需要刷新，當處理器沒有外部動態RAM接口時，就需要設計刷新電路，這給系統應用帶來不便；SRAM不用刷新，不需要專用接口，實時性好，并且可以進行跳地址尋址，所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲器。采用分場分區存儲技術，使刷新頻率大為提高，圖像顯示效果清晰穩定，實現了分辨率800×256，刷新頻率90 Hz，紅綠藍三色256×256×256灰度級的視頻顯示系統。同時，采用該技術，亮度和灰度級方便可調，亮度損失小。

2 系統組成

LED視頻顯示系統總體框圖如圖1所示：該系統由發送和接收兩部分組成，發送部分的功能主要是對DVI接口傳輸的視頻信號進行編解碼形成24 b真彩色視頻數據和點時鐘(CLK)，行同步信號(HS)，場同步信號(VS)，數據有效信號(DE)等控制信號，通過LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸到接收卡上，經過接收卡的數據處理傳送給具有特定驅動結構(1/8掃描方式，74HC595驅動芯片)的LED大屏。本文的重點是介紹接收卡的數據處理模塊。

3 數據處理

數據處理流程如圖2所示：接收卡接收發送卡傳輸過來的視頻信號(控制信號和數據信號)，將視頻信號中的數據經過位面分離，分場存入外部緩存，然后分區讀出，傳送給顯示驅動屏。其中位面分離模塊將不同數據的同權位重新組合成新的數據存儲在存儲器中。外部緩存采用兩個SRAM乒乓緩存的技術，實現數據的流水線處理。下面分別介紹位面分離模塊和分場分區存儲的原理和實現。

3.1 位面分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級控制方式為分場疊加與占空比相結合的方式^［1，2］，如表1所示：其中分場疊加是指用不同場次的恒頻掃描來實現不同灰度級，如表1的D7~D4;占空比控制是指控制點亮時間與關斷時間的占空比來實現灰度的調節，如表1的D3~D0。而這兩種方式的前提都是要實現視頻數據的位面分離。位面分離用FPGA來實現，一共包括兩大模塊，數據移位寄存器和數據選擇器。用VHDL實現的原理框圖如圖3所示，其中r0-7，g0-7，b0-7分別是真彩色圖像數據的紅綠藍三色，分別占用一個字節。把這24位數據線分別通過一個8位寬數據移位寄存器寄存，然后通過一個顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過控制緩存器的地址實現位面分離，外部緩存的數據寬度為24位，使RGB三種顏色并行進行位面分離。其中移位寄存器使用了流水線的技術，在鎖存輸出前8個數據的同權位的同時，移進第9個數據的同權位，這樣提高了數據處理的效率。

3.2 分場分區存儲

數據經過位面分離以后，不同數據的同權位^［3］組成了新的數據，通過控制存儲器的地址使一幀所有數據的同權位寫在存儲器的同一段中，因此對寫地址發生器要求比較高。該系統要求256級灰度，那么將存儲器分成8個段，每個段存儲代表同一個權值的位(場)。其中，8個段用3(23)根地址線來代替，分辨率為800*256的大屏有256行，800列，那么行地址用8(28)根地址線表示，這8根地址線前5位為區地址(32區)，后3位為一個區的行地址(1/8掃描)。列地址用7(27)根地址線來表示，因為存儲器為24位寬，一個存儲單元代表LED顯示屏8個RGB點的同權位，其優先級從高到底的順序為：場地址>列地址>行地址。分別用計數器來實現，這三個計數器級聯就構成了存儲器的寫地址，其連接方式為：場地址(A17~A15)，區地址(A14~A10)，區內行地址(A9~A7)，列地址(A6~A0)。由此可見，通過改變存儲器地址線的優先級可實現分場(8場)存儲。

數據分8場寫入存儲器，讀出時要求分19場讀出，并且要控制每一場的顯示時間。所以在產生讀地址的場地址計數器的時候，先設計一個19進制的計數器counter19(0~18)。表2為counter19和場地址計數器的關系：每一場的顯示時間是用比較器來實現的，可以通過改變比較器中的值靈活地校正灰度和亮度。

LED顯示屏要求32區同時點亮，采用數據的并行處理，降低硬件消耗和系統工作頻率。提高刷新頻率。由于存儲器每次只能讀出一個數據，所以必須采用分區鎖存，然后把32區數據并行輸出。

行地址和列地址同寫地址發生器原理相同，這里主要介紹一下它們的優先級。數據已經是位面分離的，所以要想實現32區數據同時顯示，那么區地址的優先級應為最高，其次是列地址，然后是行地址，最后是場地址。與存儲器連接方式同寫地址一樣。

4 仿真波形

位面分離模塊的仿真波形如圖4所示：其中RGBdin［23..16］為輸入數據的高八位，rgb_regroup_output［23..16］為輸出數據的高八位。flag為輸入數據有效信號標志，flag_delay85為輸出有效信號的標志。

波形分析如下：

輸入數據前8個數據的前面7個都為00h，第8個為02h，這8個數據進行位面分離后輸出見表3，由表3可以看出位面分離實現了前8個數據轉置后從右往左讀出。

圖5為寫地址的仿真波形，可以看出，場地址優先級最高，當場地址為7h時，列地址加1，當列地址為63h時，行地址加1，當行地址為7h時，區地址加1。同理可以看出圖6讀地址的進位順序為：區地址為1Fh時，列地址加1，列地址為63h時，行地址加1，行地址為7h時，場地址按19場原理進行計數。圖6中行地址為7h時，場地址并沒有加1。圖7為場地址計數器控制的占空比信號。該信號接顯示屏驅動板行掃描信號的使能端，通過控制掃描信號控制顯示時間，從而實現灰度級。

5 結 語

針對LED視頻顯示屏的系統遇到的刷新速度和灰度控制問題，本文提出了一種分場分區存儲技術，詳細地介紹了其原理和實現。通過波形仿真和工程應用，該方法很好地解決了LED顯示控制系統中圖像閃爍，亮度損失大的問題，并且其灰度和亮度控制可以靈活校正。

參 考 文 獻

［1］蔡林飛，高楊，劉佳，等.LED全彩大屏幕同步顯示系統設計［J］.電視技術，2007，31(3)：31-33.

［2］蔡林飛.LED全彩大屏同步顯示控制系統設計［D］.綿陽:西南科技大學，2007.

［3］劉傳清，張蘊玉，胡修林.LED彩色屏數字視頻信號的數據重構與存貯技術［J］.電子與自動化，1999(1):15-17.

作者簡介 李俊艷 女，1984年出生，碩士研究生。主要研究方向為EDA設計。

高 楊 男，1972年出生，博士，副研究員。主要研究方向為微光機電系統(MOEMS)。

周 巖 女，1983年出生，碩士研究生。主要研究方向為EDA設計。

劉 佳 男，1980年出生，碩士研究生。主要研究方向為EDA設計。

蔡林飛 男，1979年出生，碩士，九洲國家企業技術中心LED研發中心工程師。主要研究方向為光電顯示技術。