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摘 要: 本文提出了一種獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，把LED管的驅(qū)動(dòng)脈寬轉(zhuǎn)換成多個(gè)固定窄脈沖,并把其分散在一幀時(shí)間內(nèi)。討論了基于此方法的LED灰級(jí)控制 的邏輯設(shè)計(jì)，并介紹了如何在CPLD上實(shí)現(xiàn)該邏輯，使LED屏在低灰度級(jí)時(shí)無需增加刷新率，高灰度級(jí)時(shí)顯示畫面更加穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無閃爍的圖像。

關(guān)鍵詞: EDA； CPLD；LED顯示屏； 灰度控制；脈寬分解

引言

由于LED本身不具有余輝效應(yīng)的特性，所以采用傳統(tǒng)的恒流源脈沖調(diào)寬控制灰度的LED屏的刷新率必須大于120Hz才能實(shí)現(xiàn)無閃爍的圖像顯示。這樣就需要 對(duì)灰度數(shù)據(jù)較低的輸入幀頻的圖像信號(hào)進(jìn)行增頻刷新。其結(jié)果造成刷新數(shù)據(jù)出現(xiàn)了極大冗余度，并增加了LED驅(qū)動(dòng)板的硬件開銷。本文提出了一種全新的脈沖打散 的方法，大大減少了刷新冗余，降低了硬件開銷，免除了閃爍，相應(yīng)增加了伽馬校正的比特?cái)?shù)，提高了圖像質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)了30Hz幀頻連續(xù)圖像的無閃爍顯示，并把 每點(diǎn)每色的8bit數(shù)據(jù)擴(kuò)展到13bit,實(shí)現(xiàn)256灰度級(jí)，達(dá)到更逼真的顯示效果。脈沖分散控制邏輯設(shè)計(jì)，灰級(jí)控制邏輯在CPLD上實(shí)現(xiàn)。采用新方案的 系統(tǒng)控制邏輯硬件在6B595驅(qū)動(dòng)的全彩屏上得到驗(yàn)證。

圖1 LED控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

系統(tǒng)接收計(jì)算機(jī)顯示卡送來幀頻為f的數(shù)字圖像信號(hào)，經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)屏體。子屏控制器采用級(jí)聯(lián)方式，接收屬于自己的顯示數(shù)據(jù)包。在統(tǒng)一的時(shí)序控制下，每個(gè)子屏控制器控制32×64個(gè)像素，獨(dú)立的完成掃描顯示工作，各個(gè)單元的掃描同步完成，不會(huì)影響顯示速度和質(zhì)量。

圖2 子屏控制器框圖

子屏控制邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的需要，每個(gè)子屏控制器被分為五個(gè)模塊：讀入發(fā)送數(shù)據(jù)(read_send)、伽馬矯正(gamma)、數(shù)據(jù)重組(dataprocess)、讀寫SRAM(rwsram)、脈沖打散輸出(scatter)。如圖2子屏控制器框圖所示。

讀入發(fā)送數(shù)據(jù)(read_send)

子屏控制器是LED大屏幕顯示的重要組成部分，它的主要功能是接收上一級(jí)子屏控制器或行控制器傳來的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成具有灰度信息的數(shù)據(jù)，按照要求傳送給下一級(jí)595驅(qū)動(dòng)電路。

由于視頻數(shù)據(jù)量很大，按照RGB三種顏色數(shù)據(jù)依次輸入，對(duì)于后面的數(shù)據(jù)處理部分需要的緩存器比較多，使得現(xiàn)有的硬件資源無法實(shí)現(xiàn)，因此決定將三個(gè)數(shù)據(jù)緩存部分縮減到一個(gè)RGB，三種顏色共用一個(gè)緩存器，這樣就可以使緩存部分的寄存器使用數(shù)量減少三分之二。

伽馬矯正(gamma)

伽馬校正是子屏控制器中重要的部分，直接影響整個(gè)顯示圖象的色彩質(zhì)量。本節(jié)中只考慮gamma校正的實(shí)現(xiàn)，gamma校正的方法原理及具體數(shù)值在本文中不詳細(xì)說明。

單色伽馬表大小為256*13=3328bit，因此三種顏色的伽馬表需要9948bit存儲(chǔ)，利用FPGA內(nèi)部的EAB單元實(shí)現(xiàn)而不用外部sram實(shí) 現(xiàn)，這樣查表的速度非常快，同時(shí)節(jié)約硬件，簡化邏輯設(shè)計(jì)。將EAB分成RGB三個(gè)單元，每個(gè)單元內(nèi)置伽馬曲線表，每輸入一個(gè)8bit灰級(jí)數(shù)據(jù)，立即查表輸出13bit經(jīng)過伽馬矯正的灰級(jí)數(shù)據(jù)。如圖3 gamma校正示意圖所示。

gammar ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit紅色灰級(jí)數(shù)據(jù)。

gammag ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit綠色灰級(jí)數(shù)據(jù)。

gammab ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit藍(lán)色灰級(jí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)重組(dataprocess)

由于受到后端數(shù)據(jù)處理速度的限制，必須在前端對(duì)數(shù)據(jù)就進(jìn)行處理，使得數(shù)據(jù)方便后端打散的使用，因此伽馬矯正輸出的13bit數(shù)據(jù)并不馬上送到外部sram 中去，先緩存到暫存寄存器中。當(dāng)寄存器組存滿16個(gè)數(shù)據(jù)后(即16條鏈同一位置的點(diǎn)一種顏色的灰度值)，取每個(gè)數(shù)據(jù)的第i位組合成新的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)存到另一個(gè) 寄存器組中，后按順序存到外部sram中。由于三種顏色RGB是分時(shí)輸入，因此可以共用一組寄存器，節(jié)約硬件資源。如圖4所示。

脈沖打散輸出(scatter)

脈沖打散輸出子模塊分為G信號(hào)脈寬調(diào)制和現(xiàn)實(shí)脈沖打散兩部分。

1) G信號(hào)脈寬調(diào)制

G信號(hào)是led點(diǎn)亮使能脈沖，在G信號(hào)為有效電平期間，鎖存的脈沖數(shù)據(jù)才可以驅(qū)動(dòng)led顯示。因此可以通過控制G信號(hào)的寬度，來細(xì)調(diào)led的發(fā)光亮度。

所謂脈寬調(diào)制，是采用計(jì)數(shù)的方式，設(shè)置計(jì)數(shù)初值。開始計(jì)數(shù)后，在計(jì)數(shù)期間內(nèi)，G信號(hào)為有效電平；否則，為無效電平。通過設(shè)置不同的計(jì)數(shù)初值，產(chǎn)生不同寬度的G信號(hào)脈沖。

2) 脈沖打散

這里只討論全彩屏設(shè)計(jì)中關(guān)于數(shù)字信號(hào)由CPLD傳入595以及由595控制LED發(fā)光陣列的過程。

現(xiàn)以4比特灰度舉列說明，一般的顯示方法如圖5所示，定為方案一：

方案一在顯示高位比特時(shí)，是采用集中顯示，如果將其均勻分配，則有更好的視覺效果，如果屏幕的閃爍與高位比特有關(guān)的話，采用此方法將明顯降低閃爍。改進(jìn)方案二的顯示如圖6所示。

方案二存在的問題是，由于幀頻率為30Hz，低比特(13位灰級(jí)時(shí)b3-b0位)在一行顯示過程中沒有足夠的重復(fù)點(diǎn)亮次數(shù)(只點(diǎn)亮了一次或兩次)，如果要達(dá)到120Hz的顯示效果，則至少需要重復(fù)點(diǎn)亮四次。

為了解決低灰級(jí)可能閃爍的問題，將b3-b0特殊控制，和b4一樣重復(fù)顯示4次。同時(shí)用G信號(hào)控制顯示的寬度，這樣既可以達(dá)到低120Hz的顯示頻率，又可以不增加低灰級(jí)的顯示亮度。如圖7顯示方案三所示。

由于是完全均勻的打散方式，因此可以各位輸出的時(shí)刻是有規(guī)律的。對(duì)于13bit灰級(jí)數(shù)據(jù)按照以下規(guī)律：

b12: n=2*a+1 a=0,1,2,3,......,1023

b11: n=4*b+2 b=0,1,2,3,......,511

b10: n=8*c+4 c=0,1,2,3,......,255

b9 : n=16*d+8 d=0,1,2,3,......,127

b8 : n=32*e+16 e=0,1,2,3,......,63

b7 : n=64*f+32 f=0,1,2,3,......,31

b6 : n=128*g+64 g=0,1,2,3,......,15

b5 : n=256*h+128 h=0,1,2,3,4,5,6,7

b4 : n=512*i+256 i=0,1,2,3

b3 : n= 512*j+0 j=0,1,2,3

b2/b1/b0: 強(qiáng)行均勻插入到顯示中去。

● 注釋1：n為輸出的時(shí)刻，每個(gè)時(shí)刻表示脈沖信號(hào)的輸出時(shí)間間隔。

● 注釋2：b2/b1/b0強(qiáng)行均勻的插入到顯示序列中去，每一位需要顯示4次。

數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)的方法：

方法一，用查表的方法。表的大小是2048*4bits。

方法二，用組合電路+狀態(tài)機(jī)。

定義9位計(jì)數(shù)器Cnt[8..0]為狀態(tài)變量。

b12: n=2*a+1 a=0,1,2,3,......,1023; Cnt[0]=1;

b11: n=4*b+2 b=0,1,2,3,......,511; Cnt[1:0]=10;

b10: n=8*c+4 c=0,1,2,3,......,255; Cnt[2:0]=100;

b9: n=16*d+8 d=0,1,2,3,......,127; Cnt[3:0]=1000;

b8: n=32*e+16 e=0,1,2,3,......,63; Cnt[4:0]=10000;

b7: n=64*f+32 f=0,1,2,3,......,31; Cnt[5:0]=100000;

b6: n=128*g+64 g=0,1,2,3,......,15; Cnt[6:0]=1000000;

b5: n=256*h+128 h=0,1,2,3,4,5,6,7; Cnt[7:0]=10000000;

b4: n=512*i+256 i=0,1,2,3; Cnt[8:0]=100000000;

b3-0: n=512*j+0 j=0,1,2,3; Cnt[8:0]=000000000;

實(shí)際程序中我們使用了9位的計(jì)數(shù)器cnt[8:0]為狀態(tài)機(jī)變量，當(dāng)計(jì)數(shù)器Cnt[8:0]=000000000時(shí)，暫時(shí)停止計(jì)數(shù)，插入低灰級(jí)亮度，輸出低灰級(jí)亮度地址。用一個(gè)四個(gè)狀態(tài)的小狀態(tài)機(jī)low[3:0]來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)?shù)突壹?jí)顯示完畢，cnt繼續(xù)計(jì)數(shù)，進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。

結(jié)語

從顯示卡獲得的像素?cái)?shù)據(jù)變化頻率與幀頻率相同，比較低。如果只靠像素?cái)?shù)據(jù)控制脈沖寬度來驅(qū)動(dòng)LED大屏幕，由于頻率低，再加上LED本身不具有余輝效應(yīng)， 圖象就會(huì)產(chǎn)生明顯的閃爍現(xiàn)象。而且灰度層次也無法提高。本文提出了一種獨(dú)特的脈沖打散的方法，把表示像素灰度級(jí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在一幀的時(shí)間內(nèi)均勻分散的個(gè)數(shù)不等的定寬窄脈沖，其脈沖個(gè)數(shù)與灰度數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)，相當(dāng)于延長了余輝效應(yīng)。 因而有效地消除了閃爍現(xiàn)象，同時(shí)可獲得很高的顯示灰度層次，結(jié)合反伽馬校正， 實(shí)現(xiàn)整個(gè)LED顯示屏灰度和亮度的調(diào)整，使顯示屏達(dá)到了良好的顯示效果。該顯示方法的控制邏輯已經(jīng)在可編程器件上實(shí)現(xiàn)。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案是切實(shí)可行的，顯示效果有明顯改進(jìn)。

■北京航空航天大學(xué)

參考文獻(xiàn)：

1. 夏宇聞，‘復(fù)雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的Verilog HDL設(shè)計(jì)技術(shù)’，北京航空航天大學(xué)出版社，1998。

2. 諸昌鈐，‘LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù)’，電子科技大學(xué)出版社，2000.