LED全彩屏數(shù)字視頻信號處理電路的設計

1 引 言

LED視頻顯示屏由于亮度高、視角廣、壽命長、性價比高，而且具有可與計算機同步顯示各種文字、圖形、圖像，可實時播放電視、錄像、影碟等視頻信號，可即時輸入、編輯各種多媒體數(shù)據(jù)等優(yōu)點，使其在街頭、廣場、商業(yè)中心、運動場所、娛樂場所、控制中心許多公共場合得到了廣泛的應用。但是由于技術的問題，特大視頻顯示屏還面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在灰度級低，亮度損失嚴重，刷新速度低。另外，本文的視頻信號源來自DVI(Digital Video InteRFace)接口，DVI接口輸出的為數(shù)字視頻信號，信息量大，一般是先經(jīng)過外部RAM(Random Array Memory)緩存，然后由處理器對視頻信號進行處理。可用于數(shù)字圖像存儲的外部存儲器有很多種，如SRAM，DRAM和SDRAM，它們的容量和速度各不相同。DRAM和SDRAM屬于動態(tài)存儲器，容量大，使用中需要刷新，當處理器沒有外部動態(tài)RAM接口時，就需要設計刷新電路，這給系統(tǒng)應用帶來不便；SRAM不用刷新，不需要專用接口，實時性好，并且可以進行跳地址尋址，所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲器。采用分場分區(qū)存儲技術，使刷新頻率大為提高，圖像顯示效果清晰穩(wěn)定，實現(xiàn)了分辨率800×256，刷新頻率90 Hz，紅綠藍三色256×256×256灰度級的視頻顯示系統(tǒng)。同時，采用該技術，亮度和灰度級方便可調(diào)，亮度損失小。

2 系統(tǒng)組成

LED視頻顯示系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：該系統(tǒng)由發(fā)送和接收兩部分組成，發(fā)送部分的功能主要是對DVI接口傳輸?shù)囊曨l信號進行編解碼形成24 b真彩色視頻數(shù)據(jù)和點時鐘(CLK)，行同步信號(HS)，場同步信號(VS)，數(shù)據(jù)有效信號(DE)等控制信號，通過LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸?shù)浇邮湛ㄉ希?jīng)過接收卡的數(shù)據(jù)處理傳送給具有特定驅(qū)動結(jié)構(1／8掃描方式，74HC595驅(qū)動芯片)韻LED大屏。本文的重點是介紹接收卡的數(shù)據(jù)處理模塊。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示：接收卡接收發(fā)送卡傳輸過來的視頻信號(控制信號和數(shù)據(jù)信號)，將視頻信號中的數(shù)據(jù)經(jīng)過位面分離，分場存入外部緩存，然后分區(qū)讀出，傳送給顯示驅(qū)動屏。其中位面分離模塊將不同數(shù)據(jù)的同權位重新組合成新的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。外部緩存采用兩個SRAM乒乓緩存的技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水線處理。下面分別介紹位面分離模塊和分場分區(qū)存儲的原理和實現(xiàn)。

3.1 位面分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級控制方式為分場疊加與占空比相結(jié)合的方式，如表1所示：其中分場疊加是指用不同場次的恒頻掃描來實現(xiàn)不同灰度級，如表1 的D7～D4；占空比控制是指控制點亮時間與關斷時間的占空比來實現(xiàn)灰度的調(diào)節(jié)，如表1的D3～D0。而這兩種方式的前提都是要實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的位面分離。位面分離用FPGA來實現(xiàn)，一共包括兩大模塊，數(shù)據(jù)移位寄存器和數(shù)據(jù)選擇器。用VHDL實現(xiàn)的原理框圖如圖3所示，其中r0-7，g0-7，b0-7分別是真彩色圖像數(shù)據(jù)的紅綠藍三色，分別占用一個字節(jié)。把這24位數(shù)據(jù)線分別通過一個8位寬數(shù)據(jù)移位寄存器寄存，然后通過一個顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過控制緩存器的地址實現(xiàn)位面分離，外部緩存的數(shù)據(jù)寬度為24位，使RGB三種顏色并行進行位面分離。其中移位寄存器使用了流水線的技術，在鎖存輸出前8個數(shù)據(jù)的同權位的同時，移進第9個數(shù)據(jù)的同權位，這樣提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

3.2 分場分區(qū)存儲

數(shù)據(jù)經(jīng)過位面分離以后，不同數(shù)據(jù)的同權位組成了新的數(shù)據(jù)，通過控制存儲器的地址使一幀所有數(shù)據(jù)的同權位寫在存儲器的同一段中，因此對寫地址發(fā)生器要求比較高。該系統(tǒng)要求256級灰度，那么將存儲器分成8個段，每個段存儲代表同一個權值的位(場)。其中，8個段用3(23)根地址線來代替，分辨率為800*256的大屏有256行，800列，那么行地址用8(28)根地址線表示，這8根地址線前5位為區(qū)地址(32區(qū))，后3位為一個區(qū)的行地址 (1／8掃描)。列地址用7(27)根地址線來表示，因為存儲器為24位寬，一個存儲單元代表LED顯示屏8個RGB點的同權位，其優(yōu)先級從高到底的順序為：場地址>列地址>行地址。分別用計數(shù)器來實現(xiàn)，這三個計數(shù)器級聯(lián)就構成了存儲器的寫地址，其連接方式為：場地址(A17～A15)，區(qū)地址(A14～A10)，區(qū)內(nèi)行地址(A9～A7)，列地址(A6～A0)。由此可見，通過改變存儲器地址線的優(yōu)先級可實現(xiàn)分場(8場)存儲。

數(shù)據(jù)分8場寫入存儲器，讀出時要求分19場讀出，并且要控制每一場的顯示時間。所以在產(chǎn)生讀地址的場地址計數(shù)器的時候，先設計一個19進制的計數(shù)器counter19(0～18)。表2為counter19和場地址計數(shù)器的關系：每一場的顯示時間是用比較器來實現(xiàn)的，可以通過改變比較器中的值靈活地校正灰度和亮度。

LED顯示屏要求32區(qū)同時點亮，采用數(shù)據(jù)的并行處理，降低硬件消耗和系統(tǒng)工作頻率。提高刷新頻率。由于存儲器每次只能讀出一個數(shù)據(jù)，所以必須采用分區(qū)鎖存，然后把32區(qū)數(shù)據(jù)并行輸出。

行地址和列地址同寫地址發(fā)生器原理相同，這里主要介紹一下它們的優(yōu)先級。數(shù)據(jù)已經(jīng)是位面分離的，所以要想實現(xiàn)32區(qū)數(shù)據(jù)同時顯示，那么區(qū)地址的優(yōu)先級應為最高，其次是列地址，然后是行地址，最后是場地址。與存儲器連接方式同寫地址一樣。[!--empirenews.page--]

4 仿真波形

位面分離模塊的仿真波形如圖4所示：其中RGBdin[23..16]為輸入數(shù)據(jù)的高八位，rgb_regroup_output[23..16]為輸出數(shù)據(jù)的高八位。flag為輸入數(shù)據(jù)有效信號標志，flag_delay85為輸出有效信號的標志。

波形分析如下：

輸入數(shù)據(jù)前8個數(shù)據(jù)的前面7個都為00h，第8個為02h，這8個數(shù)據(jù)進行位面分離后輸出見表3，由表3可以看出位面分離實現(xiàn)了前8個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置后從右往左讀出。

圖5為寫地址的仿真波形，可以看出，場地址優(yōu)先級最高，當場地址為7h時，列地址加1，當列地址為63h時，行地址加1，當行地址為7h時，區(qū)地址加1。同理可以看出圖6讀地址的進位順序為：區(qū)地址為1Fh時，列地址加1，列地址為63h時，行地址加1，行地址為7h時，場地址按19場原理進行計數(shù)。圖6中行地址為7h時，場地址并沒有加1。圖7為場地址計數(shù)器控制的占空比信號。該信號接顯示屏驅(qū)動板行打描信號的使能端，通過控制掃描信號控制顯示時間，從而實現(xiàn)灰度級。

5 結(jié) 語

針對LED視頻顯示屏的系統(tǒng)遇到的刷新速度和灰度控制問題，本文提出了一種分場分區(qū)存儲技術，詳細地介紹了其原理和實現(xiàn)。通過波形仿真和工程應用，該方法很好地解決了LED顯示控制系統(tǒng)中圖像閃爍，亮度損失大的問題，并且其灰度和亮度控制可以靈活校正。