基于FPGA控制的動態背光源設計方案

引言

當代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線熒光燈（CCFL）背光或LED 靜態背光，由于CCFL 亮度不易控制并且響應速度慢，造成能源浪費和動態模糊。LED 靜態背光效果雖好，但是其耗能也較為嚴重，另外恒定亮度的背光使得圖像的對比度下降，顯示效果不理想。對圖像RGB 像素進行分析，在某些區域適當地采用低一級亮度的LED 背光，不僅可以節能，而且會擴大圖像顯示的對比度，消除動態模糊現象。

　　1 設計方案及其原理

動態背光源表面上是個整體，其實內部在制作原理圖時已經將之分成多個區域，分別控制其各自的亮度。可知背光燈的密集度越高，劃分的區域越多、面積越小，顯示出來的整體效果會越好。但是從成本、經濟價值、制作工藝、節能等方面綜合考慮，可知燈的數目不可能無限多，劃分的區域也不會無限密集，但是總可以找到一個最合適的設計規格。

RGB 色彩模型是工業界的一種顏色標準，通過RGB 模型為圖像中每一個像素的RGB 分量分配一個0～255 范圍內的強度值。RGB 圖像只使用三種顏色，按照不同的比例混合， 理論上在屏幕上呈現16,777,216 種顏色。在本系統只有RGB 各個分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數Ki，需要經過FPGA運算得到圖像各個像素的灰度值，然后再計算。

對圖像進行灰度計算的基本思想是將每個像素的RGB 三種顏色成份的值取平均，然而由于人眼的敏感性，這種做法效果并不好，應該是每個分量需有一定的權重，計算公式如下所示。

（1）為灰度計算公式，可直接由RGB 各個分量計算得到像素的灰度值，當然可以整體的放大或縮小，即乘以一個共同的系數。

（2）為由像素灰度求亮度公式，其中Tmax 為最大透過率，在同一個系統中為一固定值，可不予關注，γ 為RGB 像素矯正因子，B 為背光源亮度值。

　　當背光源的亮度變為原來的1/λ即B' 時，為了使人眼觀察灰度C' 像素的亮度不發生大的變化，應使兩次得到的值一致，即：

令：

解方程可以求得：

一般情況下，灰度的調節由8bit 數據控制，即可以將灰度值由0～255，分成256 份，其中每一份代表一個灰度級別（本實驗中所使用驅動芯片的灰度級別為4,096）。所以可以令控光參數Ki：

其中Cmax 為各個分割區域中的最大灰度值，Ci為各個相應區域的最大灰度值，計算得到的區域控光參數Ki 來調節FPGA 的輸出，來調節背光板亮度，從而可以得到校正后各個像素的RGB 值分別為：

如方案圖所示，最后將由控制器輸出的行、場同步信號和校正后的RGB 信號等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個：一是在FPGA 處理不及時的情況下，用來存儲從圖形控制器傳過來的行、場同步信息和RGB 數據信息等；二是存儲FPGA 處理過的數據，單LCD 板未來得及處理的信息。這樣設計的目的在于達到數據不丟失，信息傳輸更及時的效果。

2 驅動電路設計

在驅動芯片的選擇上， 我們用TI 公司的TLC5947，每個通道由12bits PWM 脈寬調制，具有24 路輸出通道，所以一個數據傳遞周期將會接收288bits 數據。芯片所需電壓為3.0～5.5V，有溫控系統，當芯片的溫度過高時會自動斷開，以保護芯片。

從芯片的引腳25 可以看出，此款芯片支持級聯，可以多個芯片共同工作以驅動更大規模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24，每個輸出通道由12bit輸入數據來控制，其內部含有4MHz 的晶振，輸入數據與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比，從而實現對背光源相應區域的PWM 調制。從中可知，TLC5947 將灰度分為4,096 級，我們可以大尺度、精密地細分背光源的亮度，以達到更好動態背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅動電路中的電阻由所驅動LED 燈的電流決定，具體詳情可以參考TLC5947 配置表格（如表1所示）。芯片對輸入的SCLK、XLAT、BLANK 等信號有嚴格的時序要求，電源與地之間的電容主要起到一個濾波作用，盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅動電流的關系

圖3 背光源驅動電路

3 軟件設計

本款芯片的控制信號由Altera 公司的型號為EP1C3T144C8 的開發板供給，晶振為50MHz。

從實驗得到的效果來看，該款芯片的數據傳輸機理為：每個傳輸周期，每遇SCLK 上升沿將會從SIN 口讀入1bit 數據存入寄存器，在SCLK 下降沿時，將讀入的數據從SOUT 傳出（內部對數據仍有保留） 輸給下一級，直至讀入288bits 數據。每12bits 為一組，分別送到各自的通道，并且每組數據先讀入的居于較高位，然后依次排列。例如，讀取的數據按時間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0，則相應的控制信號為100000000000，那么控制通道的占空比即為：

根據PWM 調制面積相等的原則，有效電壓約為提供電壓的一半。

按照仿真條件的要求，SCLK 時鐘信號需要在每接收完288bits 時有段時間的低電平，盡量滿足芯片的時序要求。另外，控制信號BLANK 在每個周期空閑時（不傳輸數據時），需要有個高電平變換，這樣可以將鎖存器里面的數據清零，以便接受新一輪的控制數據，否則，燈的亮度明顯會偏暗。

RGB 數據經過FPGA 的處理，轉換為相應的灰度值，然后再計算出相應的控光參數Ki （我們可以分的灰度級別不超過4,096），傳輸給TLC5947的SIN，即可以實現動態背光調節。

圖4 輸入輸出信號設置

圖5 信號仿真圖

圖6 PWM 調制輸出波形

　　4 結論

通過理論分析和實驗測試，動態背光調節控制系統在節能和提高圖像顯示對比度等方面做得都較好，這在重視節能減排、建設和諧社會的今天以及對LCD 顯示器的未來發展都具有很好的應用前景。

圖7 即通過FPGA 控制以及基于圖像像素控制得到的動態背光調節效果圖，從中可以看到，如果在以前LCD 靜態背光的條件下，則所有背光LED 燈的亮度將會和最亮的（右下角）一致，而現在我們將之分割為各個不同區域，使得每個區域均有自己的最佳亮度，而不必以整個圖像最亮一點為標準，并且不影響顯示效果。這樣，也就實現了我們預期的動態調節的目的。

圖7 背光源效果圖