基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片設(shè)計

一、介紹
LED(light emitting diode)顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)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(yīng)速度快、驅(qū)動簡單、壽命長等優(yōu)點, 能勝任各種場合實時性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù), 因此得到了廣泛的應(yīng)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(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體, 正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習(xí)、電子景觀等領(lǐng)域[1]。
本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅(qū)動芯片，在大屏幕LED顯示系統(tǒng)中實現(xiàn)了從白到黑的多色彩的256級灰度顯示[2]，畫面穩(wěn)定清晰，取得了良好的視覺效果。
二、大屏幕LED的系統(tǒng)構(gòu)成
考慮到LED電氣特性以及機(jī)械安裝等實際應(yīng)用的要求，無論是室內(nèi)LED電子顯示系統(tǒng)或是室外LED電子顯示屏，在結(jié)構(gòu)上都采用了標(biāo)準(zhǔn)單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32個顯示象素?zé)艄軜?gòu)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(gòu)成一個獨立的子系統(tǒng)；然后，再由各個標(biāo)準(zhǔn)源以及通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點陣LED大屏幕
電子顯示系統(tǒng)[2]，外加一定的計算機(jī)控制部件、帶有數(shù)字化分量輸出的多媒體卡或DVI卡及電源記憶通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點陣LED大屏幕電子顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(qū)動結(jié)構(gòu)，可驅(qū)動16×8的LED屏體，應(yīng)用在LED大屏幕上可以通過多片級聯(lián)來實現(xiàn)LED大屏幕的顯示。

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三、LED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(shè)計的關(guān)鍵，由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時間近似成正比，所以灰度等級的實現(xiàn)通常是由控制LED的發(fā)光時間與掃描周期的比值，即采用調(diào)制占空比來實現(xiàn)的。
(l)灰度掃描約束公式
設(shè)顯示灰度等級數(shù)為N，由于灰度級為1的像素在屏體的對應(yīng)點亮?xí)r間為td，因而灰度線性調(diào)制后灰度級為i的數(shù)據(jù)顯示時間為itd，灰度級最高的數(shù)據(jù)顯示時間為(N一l)×td。通常的考慮[3]是在td內(nèi)完成對存儲器一行數(shù)據(jù)的一次讀出，同時以td為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打人到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N個灰度級數(shù)，幀掃描周期為: T=n× td ×m     (l)；
屏體顯示效率:η=(N一l)× td × m/T=(N一l)/N     (2)；
設(shè)視頻數(shù)據(jù)輸人速率為VI，存儲器讀出速率為Vo，由于必須在td內(nèi)完成存儲單元內(nèi)一行數(shù)據(jù)的一次讀出，故有Vo/Vi >=h/(td ×n)     (3)；
設(shè)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(wěn)定顯示，掃描幀頻必須足夠高，設(shè)F>=F0(即T<=T0，T0=1/F0)，F(xiàn)0為人眼可接受的掃描幀頻(F0>=60)，代人(4)式得λ>= h×N×m/(T0×n)     (5)；
代人(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(shù)、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(shù)，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當(dāng)灰度級數(shù)較高時，以目前的集成電路實現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結(jié)構(gòu)，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(fù)雜程度也有所增加;另一種方法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中，這種方法經(jīng)實踐驗證是可行的。[!--empirenews.page--]
設(shè)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(shù)據(jù)輸人速率，顯示基本時間單位為1/16倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^對灰度數(shù)據(jù)按位分時顯示的方法實現(xiàn)，即計算機(jī)屏幕圖像以每像素24bit輸出(紅、綠、藍(lán)各8bit)時，通過給每種顏色sbit字節(jié)的不同位分配不同的顯示時間達(dá)到灰度顯示的目的。比如，最低位(第8位)對應(yīng)1/16行顯示時間，第7位對應(yīng)1/8行顯示時間，…，第2位對應(yīng)4行顯示時間，最高位對應(yīng)8行顯示時間。屏體數(shù)據(jù)更新時間以行周期為單位，最低位對應(yīng)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(chǎn)生消隱信號進(jìn)行消隱，其余位類同。  
2、LED掃描控制芯片
通過數(shù)據(jù)比較之后，本論文采用了恒流源驅(qū)動方式[4]，設(shè)計了一款可以實現(xiàn)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(nèi)含16個8位的移位寄存器和16個8位的數(shù)據(jù)鎖存器，可以對8位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行移位并鎖存。圖2為該掃描和顯示控制芯片的電路圖。

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當(dāng)電路開始工作時，8位并行數(shù)據(jù)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(nèi)部含有16個移位寄存器, 故移位16 次后,數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)器開始對灰度級時鐘進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值與該列所存儲的灰度值相等時，該列的恒流輸出結(jié)束，從而實現(xiàn)相應(yīng)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(lián)驅(qū)動LED顯示屏，則一直并行移位160 次就可完成第一行數(shù)據(jù)的傳輸。
運用VerilogHDL編寫代碼并用Modelsim仿真軟件對該電路代碼進(jìn)行編譯仿真，得出了如圖3、圖4所示得時序圖。
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通過時序圖我們可以看到在控制端：enable、rsel、bc_ena、latch等控制端的控制下，可以按照不同的需求來實現(xiàn)對不同灰度和亮度的實現(xiàn)。在灰度控制單元中，數(shù)據(jù)在經(jīng)過了16個脈沖之后移位傳輸至輸出端輸出，并且實現(xiàn)了8列或者16列輸出的可調(diào)；在亮度控制單元中，通過調(diào)整enable、bc_ena、latch的值實現(xiàn)了輸出數(shù)據(jù)的可調(diào)，從而準(zhǔn)確的實現(xiàn)了亮度的控制功能。
根據(jù)各部分同名行的全部傳輸時間等于該同名行的顯示時間, 可以得到行周期和點(列)周期的值,即行周期=幀周期/掃描方式的行數(shù),點周期=行周期/(每行點數(shù)×部分?jǐn)?shù))。若幀頻為120Hz ,則幀周期為1/120s = 8.33ms，根據(jù)掃描方式為1/16可將80行分為5個16行,每行160 列,這樣,行周期即為520.6μs；點周期為650.75ns；點頻為1.54×106Hz。
 
四、結(jié)論
本文討論了LED大屏幕視頻控制器中的灰度掃描方法，本文提出了256灰度級掃描時的實現(xiàn)方案，作者的創(chuàng)新點在于并設(shè)計了一款從暗到亮的256級灰度顯示的LED顯示控制芯片，在本設(shè)計中幀頻可達(dá)120Hz ,行周期為520.6μs，點周期為650.75ns；點頻為1.54×106Hz。該芯片可以通過多塊級聯(lián)來驅(qū)動LED大屏幕，有著較好的應(yīng)用前景。