基于FPGA的彩色LED大屏幕控制系統

　　LED（Light Emitting Diode）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和廣告界的極大重視。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。LED大屏幕是21世紀廣告業發展的趨勢，是具有音視頻功能的戶內外廣告展示設備，屬國際領先的高科技產品。不僅外觀新穎獨特，其面積可隨意調整，能播放音視頻廣告節目，而且四面還可裝固定燈箱廣告位，現各地政府都鼓勵推行使用戶外LED大屏幕，陸續取消帆布廣告、燈箱廣告審批。

　　本方案采用Actel的FPGA實現對彩色LED屏的控制，對于系統的可靠性大大增強，而且低成本的單芯片大大減輕了系統的成本。

　　1.概述

　　1.1 功能概述

　　選擇FPGA實現LED全彩屏的控制，主要考慮系統的性能需求，系統的升級需要以及系統的設計成本等因素。現代社會對信息顯示效果的高要求，以及視頻數據量的加大，對顯示控制器提出了挑戰，如圖 1所示。本文實現的LED全彩屏主要實現了以下功能：

　　● 保證全彩LED顯示屏顯示顏色不失真；

　　● 能夠實現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數據流實時顯示。

圖1 LED顯示屏應用示例

　　1.2 系統框圖

　　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、數據重構以及存儲形式、掃描方式的選擇等方面。控制器的功能框圖如圖 2所示。

圖2 LED顯示屏控制器功能框圖

　　2.各功能模塊介紹

　　控制器實現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生LED器件閃爍的現象時，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。

　　2.1 8場掃描模塊

　　8場掃描方式是針對串行驅動LED顯示屏而提出的。以最常見的8bit位寬的顯示數據來說，我們分8次顯示，第一次將8位數據的第0位顯示在LED屏上，第2次將8位數據的第1位顯示在LED顯示屏上，這樣重復操作，直至將8位數據全部顯示在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據的數據顯示效果。我們把一個LED點陣屏所有的像素點對應的同一數據位點亮一遍稱為一場，8位數據共需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，每一個數據位對應的點亮時間如所示。我們設掃描一行的時間為T。從表 1可以看出，這種方式的點亮的效率是比較低的。

表1 數據對應點亮時間

基于上述的8場掃描方式，如圖3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位數據的每一位權值：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數據和對應的權值乘積之和，計算可知這個比值剛好是從00到FF，這就構成了256種灰度級別。

圖3 數據位灰度權值

　　2.2 19場掃描模塊

　　基于上一小節中介紹的“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，我們設計了“19場掃描”的方式，這種方式延續了串行驅動的思想，只是在數據位讀取方面做了一些改動。

　　如圖 4所示，可以看出19場設計的原理是將數據的高位連續多顯示幾次，以提高數據的顯示亮度。19場掃描數據低5位時和8場掃描是一樣的，但第5位連續讀2次，第6位連續讀4次，第7位連續讀8次。

圖4 8場掃描和19場掃描的位地址

　　同時需要注意的一點是：在改變數據位顯示次數的時候，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據位讀取次數是比較合理的。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數據總共顯示了19次，但數據位依然是從第0位掃描到第7位，所以只要給固定的數據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。

　　2.3 控制器時鐘樹設計

　　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的時鐘網絡相當豐富，除了全局時鐘網絡以外，內部還具有分段式的布線結構，可以使得FPGA內部具有可以高達252個時鐘。

圖5 系統時鐘域分布圖

　　此外，由于控制器需要處理的數據比較龐大，根據FPGA的設計思想，采用乒乓操作實現對數據的存儲，以提高數據的處理速度。在數據來源方面，控制器可以顯示內部存儲的靜態圖像，也可以顯示外部輸入的數據。在處理前級系統傳輸來的數據的時候，就涉及到數據的接口問題。根據FPGA的接口處理設計思想，采用FIFO作為數據的接口，以實現數據的同步。

　　3.市場應用

　　LED顯示屏在信息發布場合已經是很常見了，常被廣泛應用于工業、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，如圖 6所示。隨著對生活質量的要求越來越高，LED顯示屏也可用于室內裝飾、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。

圖6 LED顯示屏應用實例