基于FPGA的LED電視動態(tài)背光系統(tǒng)設(shè)計

LEDTV意即采用LED背光技術(shù)的液晶電視。當前，以LED為背光源的液晶電視具有輕薄、節(jié)能、環(huán)保一系列優(yōu)點，成為電視和顯示器市場的主流產(chǎn)品。通過調(diào)節(jié)LED背光源電源電壓或工作電流的大小，可以方便地改變LED的發(fā)光強度，這就使得以降低功耗為目的的液晶電視LED背光動態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)獲得迅速的應用，而LED納秒量級的響應速度，為LED背光的動態(tài)調(diào)節(jié)提供了保證。

LED背光模組區(qū)分底背光和側(cè)背光兩種方式。底背光又叫直下式，是指LED燈安裝在液晶背面，均勻分布在面板的后方。底背光方式散熱好、整體亮度均勻、畫面細節(jié)逼真、動態(tài)背光效果好，目前主要應用于大尺寸和高端液晶電視市場。側(cè)背光又叫側(cè)入式背光，是指LED燈安裝在液晶面板上下兩側(cè)或者四周，利用導光板傳遞光線實現(xiàn)屏幕背光，這種背光方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)薄形化設(shè)計，成本也較低，目前主要用于中低端液晶電視機產(chǎn)品。

本文設(shè)計一款基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的液晶電視動態(tài)背光系統(tǒng)，采用LED側(cè)背光方式，符合當前液晶電視LED背光應用主流。

2電視動態(tài)背光

以往的電視機主板將圖像信號通過LVDS(LowVoltageDifferentialSignal，低壓差分信號傳輸)將圖像信號傳送至液晶面板，另外通過LED驅(qū)動控制背光，顯示系統(tǒng)和背光系統(tǒng)相對獨立。圖像信號通過LVDS傳送的時候，有兩種格式，一種是JEIDA的標準，如圖一所示;一種是VESA的標準，如圖二所示。液晶面板的LVDS信號一般有四至五對，一對是時鐘信號，三至四對為數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號和時鐘信號速度為7:1。

液晶電視動態(tài)背光調(diào)節(jié)區(qū)分LED背光組件的整屏亮度PWM(脈寬調(diào)制)控制、LED背光組件的橫向分區(qū)域亮度PWM控制、LED背光組件的縱向分區(qū)域亮度PWM控制、RGB分區(qū)域亮度控制和綜合控制。要使液晶電視能達到分區(qū)域背光亮度PWM控制，相應地必須對動態(tài)的圖像信號進行分析，通過插入的FPGA板計算出各個區(qū)域的圖像亮度信息，然后根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計的平均亮度信號，驅(qū)動LED控制芯片分別調(diào)節(jié)相應背光區(qū)域的背光亮度。FPGA板同時將圖像信號傳送至液晶面板,以達到背光與圖像的同步，即實現(xiàn)了液晶電視動態(tài)背光調(diào)節(jié)功能。LED控制芯片必須具有多路輸出且各路輸出能獨立調(diào)節(jié)的功能，這樣芯片就能根據(jù)屏幕各區(qū)域圖像畫面的亮度信息，同時調(diào)節(jié)對應區(qū)域的背光亮度，在屏幕顯示暗場景時，調(diào)低背光的亮度，進而減少能耗。背光調(diào)節(jié)效果例子如圖三所示。

3系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的32寸液晶電視，選用LED側(cè)背光方式，在電視面板上下各安裝2個燈條，每個燈條4串LED，每串LED為10個LED燈，共用160個LED燈。4個燈條總共16串，分別對應著16個調(diào)光區(qū)域。

FPGA器件選用賽靈思公司(Xilinx，Inc.)Spartan6系列中的XC6SLX16器件。Spartan-6FPGA為賽靈思公司新推出有批量應用、最低成本的FPGA器件，采用45nm低功耗銅工藝，在成本，性能和功耗上能達到最好的平衡。內(nèi)建系統(tǒng)級模塊包括DSP邏輯片、高速收發(fā)器以及PCIExpress接口內(nèi)核，能夠提供更高程度的系統(tǒng)級集成;先進功率管理技術(shù)以及可選的1.0v低功耗內(nèi)核使得Spartan-6FPGA功耗更低;支持超過12Gbps的存儲器訪問帶寬;高性能集成存儲器控制器支持DDR、DDR2、DDR3和移動DDR存儲器，硬內(nèi)核的多端口總線結(jié)構(gòu)能夠提供可預測的時序和高達DDR2/DDR3800(400MHz)的性能。

LED驅(qū)動芯片選用奧地利微電子公司(Austriamicrosystems)的AS3693B控制芯片。芯片擁有控制外部FET的概念設(shè)計，具有主動調(diào)節(jié)LED供電電源的專利節(jié)電技術(shù)，可最大限度地降低系統(tǒng)功耗。芯片具有I2C(Inter-IntegratedCircuit)和SPI(SerialPeripheralInterface)接口和16個獨立PWM調(diào)節(jié)的通道，每個通道的電流精度高達為0.5%，可使LCD背光實現(xiàn)最精準的顏色及亮度控制;外接時鐘和同步輸入允許LCD背景光和電視圖像同步，能實現(xiàn)“分塊調(diào)光控制”，達到盡可能高的對比度。

FPGA板需要用到1.2V、1.8V、3.3V供電電壓，AS3693B芯片需要用到3.3V電壓，必須使用BUCK(降壓變換器)將12V電壓轉(zhuǎn)換至所需電壓。LED背光系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖四所示：

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖五所示。FPGA 對整個系統(tǒng)實施控制。FPGA 首先接收電視主板發(fā)送的LVDS 信號， 由于LVDS 速度很快，每對LVDS 數(shù)據(jù)線速度為560~600Mbit/s，所以應使用ISERDES(串并轉(zhuǎn)換器) 模塊對其進行減速，同時按1:7 的比率由將VESA 或JEIDA 信號轉(zhuǎn)換成RGB 格式的圖像信號，由FPGA內(nèi)置亮度分析模塊根據(jù)亮度計算公式：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

計算出亮度信號并按區(qū)域統(tǒng)計，得到各區(qū)域的亮度信號;再通過I2C 模塊，將平均亮度信號轉(zhuǎn)換成電路控制信號，以I2C協(xié)議的形式將控制信號送至LED 驅(qū)動芯片以驅(qū)動16 個區(qū)域PWM 背光調(diào)節(jié)模塊?？刂菩盘柗譃榈刂反a和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要相應背光區(qū)域的控制電路，控制量決定該調(diào)整的類別( 背光亮度) 及需要調(diào)整的量，各控制電路彼此獨立，互不相關(guān);FPGA 同時將RGB 格式的圖像信號通過7:1的OSERDES( 并串轉(zhuǎn)換器) 重新生成LVDS 信號傳送給液晶面板。液晶背光亮度根據(jù)電視畫面內(nèi)容實時同步調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)了系統(tǒng)LED 背光動態(tài)調(diào)節(jié)功能。

經(jīng)測算， 液晶電視背光最高亮度為350cd/m2， 均勻度為75%以上，達到了液晶電視背光的亮度要求。此款32 寸液晶電視原功耗為73W，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)光功能之后，在背光亮度調(diào)至最大水平的狀態(tài)下， 用功耗測試儀測得實際最大功耗為73W，在背光亮度調(diào)至最低水平時，測得實際功耗為38W;正常播放電視時測得平均功耗54W，節(jié)能效果明顯。由于電視畫面對應區(qū)域亮度降低，畫質(zhì)會有微小損失，但人眼不易察覺,未來可結(jié)合圖像信號補償技術(shù)和增大液晶分子的旋轉(zhuǎn)角度來抵消因亮度降低帶來的畫質(zhì)損失。

5 結(jié)論

本文給出了基于FPGA 的液晶電視LED 背光動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種設(shè)計方法，描述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖及功能實現(xiàn)框圖。該系統(tǒng)集成程度高,工作速度快，結(jié)構(gòu)清晰，具有在線可編程的特點，其原理可廣泛應用于大尺寸電視和顯示器市場;系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境已通過應用性，穩(wěn)定性等測試，各種器件均能達到良好的匹配，至少可將電視整機功耗降低四分之一，具有良好的應用市場前景。本文創(chuàng)新點：基于FPGA 技術(shù)，構(gòu)建液晶電視LED 背光動態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng),設(shè)計了一款超薄、節(jié)能、高性價比的液晶電視機。