基于Actel FPGA的LED顯示屏控制方案

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，被廣泛應用于工業(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。隨著科技的進步，全彩LED顯示屏(RGB三基色)逐漸得到普及應用。

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)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。

(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。控制器的功能框圖如圖2所示。

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，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。

(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。

基于上述的8場掃描方式，如圖2所示，我們將8場掃描每一場分別對應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。

(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。

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)位加載其對應的占空比信號來控制其灰度顯示就能符合要求。

(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。

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顯示屏的應用將會越來越廣泛，應用Actel的FPGA可以為LED控制器提供最佳的方案。

4 小結(jié)

本文主要介紹了基于Actel FPGA的LED全彩屏控制系統(tǒng)的功能和應用。敬請關(guān)注周立功公司的網(wǎng)站www.zlgmcu.com以獲得更多的信息。我們有著一個接近30人的FPGA團隊提供強有力的售后服務和技術(shù)支持，解決用戶在產(chǎn)品使用和研發(fā)過程中遇到的困難。若有更多的需求可以與我們聯(lián)系，我們將會竭誠為您服務，并請關(guān)注下期的FPGA專題技術(shù)講座。