基于FPGA的LED大屏幕控制系統的設計與實現

相比于液晶顯示、投影顯示等其他大屏幕顯示技術，LED顯示技術有其獨特的優越性：高亮度、寬可視角度、豐富的色彩以及可定制的屏幕形狀。這些特點使得LED顯示屏被廣泛應用于工業、交通、商業廣告、信息發布、體育比賽等各個領域。
LED大屏幕控制系統是一個融合計算機控制技術、視頻技術、光電子技術、通信技術的綜合系統。當前主流的LED大屏幕控制系統多以FPGA或FPGA結合其他芯片為主控芯片。目前LED大屏幕正朝著顯示面積更大、顯示亮度更高、顏色更鮮艷的方向發展。這些都給LED大屏幕控制系統提出了新的挑戰。
本文基于Altera公司的低成本Cyclone II系列芯片EP2CQ208C設計了LED大屏幕控制系統，在傳統的SDRAM緩存技術上，提出了優化的SDRAM乒乓式緩存技術并詳細闡述了反γ校正、顏色調節、灰度級調節等在FPGA中的實現。本系統最終實現了最大1 280×1 024分辨率、最低240 Hz刷新率的超大LED屏幕顯示。同時可以通過PC機上軟件對LED屏幕進行亮度、對比度、灰度級等參數的靈活調節，得到更加細膩的顯示畫面。
1 系統結構
本文所設計的LED大屏幕控制系統結構如圖1所示，整個系統分為發送卡和接收卡兩部分。以Altera公司的EP2CQ208C作為主控芯片，DVI數據解碼選用了TI公司的TFP201A(最高支持SXGA)，數據緩存選用了Samsung的K4S643232C，千兆以太網芯片選用了Realtek公司的RTL8212（雙端口千兆物理層芯片）。

本系統的數據流分為控制數據和顯示數據。控制數據由PC機上的軟件發出，發送卡的FPGA接收控制數據，判定是控制發送卡還是控制接收卡的數據，如果是控制接收卡，則通過千兆網絡將數據發送至接收卡。TFP201A從DVI接口解碼出顯示數據后由FPGA緩存入SDRAM，然后在讀出數據時按照顯示屏要求對數據塊結構作一定調整后再由RTL8212打包發送至接收卡，接收卡接收顯示數據，然后驅動LED顯示屏。
本文主要討論系統中的FPGA部分，包括以下三點：
(1)對SDRAM乒乓式緩存的優化；
(2)基于FPGA內部RAM與PC機軟件的反γ校正與灰度級變換；
(3)LED顯示屏的亮度、對比度等顏色調節在FPGA中的實現。