LED顯示屏高灰度掃描控制的FPGA實現

摘要：本文在分析LED顯示屏的顯示掃描控制方法的基礎上，提出了用并行結構實現高灰度掃描控制的方案，設計了基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片，并結合外圍電路、顯示面板及計算機構成了LED大屏幕顯示系統，實現了LED顯示屏的256級灰度顯示，在簡化系統硬件結構的前提下取得了清晰穩定的畫面顯示。

1介紹

LED（lightemittingdiode）顯示屏由發光二極管陣列構成。發光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應速度快、驅動簡單、壽命長等優點，能勝任各種場合實時性、多樣性、動態性的信息發布任務，因此得到了廣泛的應用。LED大屏幕是通過一定的控制方式，用于顯示文字、圖像、行情等各種信息以及電視、錄像信號，并由LED器件陣列組成的顯示屏幕。LED大屏幕作為現代信息發布的重要媒體，正受到社會各界尤其是商業界、廣告界的極大重視，被廣泛應用于工業、交通、商業、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習、電子景觀等領域。

本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅動芯片，在大屏幕LED顯示系統中實現了從白到黑的多色彩的256級灰度顯示，畫面穩定清晰，取得了良好的視覺效果。

2大屏幕LED的系統構成

考慮到LED電氣特性以及機械安裝等實際應用的要求，無論是室內LED電子顯示系統或是室外LED電子顯示屏，在結構上都采用了標準單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32個顯示象素燈管構成一個單元塊。每一個單元塊形成自身獨立的電子掃描功能、控制功能、存儲功能，并以此構成一個獨立的子系統；然后，再由各個標準源以及通訊驅動部件后就構成了全點陣LED大屏幕電子顯示系統，外加一定的計算機控制部件、帶有數字化分量輸出的多媒體卡或DVI卡及電源記憶通訊驅動部件后就構成了全點陣LED大屏幕電子顯示系統。該系統的結構框圖如圖1所示。

其中的核心部分是LED掃描控制芯片，這個也是本文所要討論的重點。該芯片為8位并行輸入的LED顯示驅動結構，可驅動16×8的LED屏體，應用在LED大屏幕上可以通過多片級聯來實現LED大屏幕的顯示。

圖1LED大屏幕系統結構框圖

3LED掃描方法和控制芯片的研究

1、灰度掃描方法的研究

對高灰度級LED大屏幕顯示而言，灰度的分層（灰度掃描）方法是視頻控制器設計的關鍵，由于LED的發光亮度與掃描周期內的發光時間近似成正比，所以灰度等級的實現通常是由控制LED的發光時間與掃描周期的比值，即采用調制占空比來實現的。

（1）灰度掃描約束公式

設顯示灰度等級數為N,由于灰度級為1的像素在屏體的對應點亮時間為td,因而灰度線性調制后灰度級為i的數據顯示時間為itd,灰度級最高的數據顯示時間為（N一l）×td.通常的考慮是在td內完成對存儲器一行數據的一次讀出，同時以td為周期將讀出的一行數據打人到屏體進行灰度顯示。由于共有N個灰度級數，幀掃描周期為：

T=n×td×m（1）

屏體顯示效率：η=(N一l)×td×m/T=(N一l)/N(2)

設視頻數據輸人速率為VI,存儲器讀出速率為Vo,由于必須在td內完成存儲單元內一行數據的一次讀出，故有：Vo/Vi>=h/(td×n)(3)

設λ為存儲器讀出與輸人速率的比值，即λ=Vo/Vi,將（l）式代人（3）式中，有：λ>=h×N×m/(T×n)(4)

為保證圖像的穩定顯示，掃描幀頻必須足夠高，設F>=F0（即T=T0,T0=1/F0），F0為人眼可接受的掃描幀頻（F0>=60），代入（4）式得：

λ>=h×N×m/(T0×n)（5)

代入（1）式得：td=T0/(N×m)(6)

式（5）和（6）即為灰度掃描約束公式。

（2）256灰度級全屏掃描

對于256灰度級全屏掃描，高的灰度級數、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當灰度級數較高時，以目前的集成電路實現水平難以達到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結構，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復雜程度也有所增加；另一種方法是適當犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中，這種方法經實踐驗證是可行的。

設計中考慮到幀頻與LED屏體顯示效率的折中，采用λ=l,td=h/16,即存儲器讀出速率等于數據輸人速率，顯示基本時間單位為1/16倍行周期。灰度掃描通過對灰度數據按位分時顯示的方法實現，即計算機屏幕圖像以每像素24bit輸出（紅、綠、藍各8bit）時，通過給每種顏色sbit字節的不同位分配不同的顯示時間達到灰度顯示的目的。比如，最低位（第8位）對應1/16行顯示時間，第7位對應1/8行顯示時間，?,第2位對應4行顯示時間，最高位對應8行顯示時間。屏體數據更新時間以行周期為單位，最低位對應更新時間為1行時間，其中顯示1/l6行時間，其余15/16行時間里，由控制電路產生消隱信號進行消隱，其余位類同。

2、LED掃描控制芯片

通過數據比較之后，本論文采用了恒流源驅動方式，設計了一款可以實現從白到黑的256級灰度顯示的控制單元。該顯示控制芯片具有與時鐘同步的8位并行輸入端口，內含16個8位的移位寄存器和16個8位的數據鎖存器，可以對8位并行數據進行移位并鎖存。圖2為該掃描和顯示控制芯片的電路圖。

圖2.掃描和顯示控制芯片電路圖

當電路開始工作時，8位并行數據在移位時鐘脈沖的作用下打入芯片的移位寄存器模塊中，其內部含有16個移位寄存器，故移位16次后，數據將從該芯片的DOUT0~DOUT7輸出到下一芯片；同時將移位所得的16個8位數據輸入到鎖存器中鎖存。這時只要輸出控制信號為低，并給出同名行的行選通信號同時使輸出開放，各列即可開始輸出恒流，同時8位計數器開始對灰度級時鐘進行計數，當計數值與該列所存儲的灰度值相等時，該列的恒流輸出結束，從而實現相應LED的顯示時間控制，即占空比控制。若采用10個該顯示控制單元級聯驅動LED顯示屏，則一直并行移位160次就可完成第一行數據的傳輸。