基于FPGA的LED電視動(dòng)態(tài)背光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LEDTV意即采用LED背光技術(shù)的液晶電視。當(dāng)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(diǎn)，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(qiáng)度，這就使得以降低功耗為目的的液晶電視LED背光動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)技術(shù)獲得迅速的應(yīng)用，而LED納秒量級(jí)的響應(yīng)速度，為LED背光的動(dòng)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(xì)節(jié)逼真、動(dòng)態(tài)背光效果好，目前主要應(yīng)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(dǎo)光板傳遞光線實(shí)現(xiàn)屏幕背光，這種背光方式結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)薄形化設(shè)計(jì)，成本也較低，目前主要用于中低端液晶電視機(jī)產(chǎn)品。

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

2電視動(dòng)態(tài)背光

以往的電視機(jī)主板將圖像信號(hào)通過LVDS(LowVoltageDifferentialSignal，低壓差分信號(hào)傳輸)將圖像信號(hào)傳送至液晶面板，另外通過LED驅(qū)動(dòng)控制背光，顯示系統(tǒng)和背光系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。圖像信號(hào)通過LVDS傳送的時(shí)候，有兩種格式，一種是JEIDA的標(biāo)準(zhǔn)，如圖一所示;一種是VESA的標(biāo)準(zhǔn)，如圖二所示。液晶面板的LVDS信號(hào)一般有四至五對(duì)，一對(duì)是時(shí)鐘信號(hào)，三至四對(duì)為數(shù)據(jù)信號(hào)，數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)速度為7:1。

液晶電視動(dòng)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(dá)到分區(qū)域背光亮度PWM控制，相應(yīng)地必須對(duì)動(dòng)態(tài)的圖像信號(hào)進(jìn)行分析，通過插入的FPGA板計(jì)算出各個(gè)區(qū)域的圖像亮度信息，然后根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計(jì)的平均亮度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED控制芯片分別調(diào)節(jié)相應(yīng)背光區(qū)域的背光亮度。FPGA板同時(shí)將圖像信號(hào)傳送至液晶面板,以達(dá)到背光與圖像的同步，即實(shí)現(xiàn)了液晶電視動(dòng)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(dú)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(shí)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)區(qū)域的背光亮度，在屏幕顯示暗場景時(shí)，調(diào)低背光的亮度，進(jìn)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(jì)

本文設(shè)計(jì)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(gè)燈條，每個(gè)燈條4串LED，每串LED為10個(gè)LED燈，共用160個(gè)LED燈。4個(gè)燈條總共16串，分別對(duì)應(yīng)著16個(gè)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(yīng)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(dá)到最好的平衡。內(nèi)建系統(tǒng)級(jí)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(jí)集成;先進(jìn)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(chǔ)器訪問帶寬;高性能集成存儲(chǔ)器控制器支持DDR、DDR2、DDR3和移動(dòng)DDR存儲(chǔ)器，硬內(nèi)核的多端口總線結(jié)構(gòu)能夠提供可預(yù)測的時(shí)序和高達(dá)DDR2/DDR3800(400MHz)的性能。

LED驅(qū)動(dòng)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(jì)，具有主動(dòng)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(gè)獨(dú)立PWM調(diào)節(jié)的通道，每個(gè)通道的電流精度高達(dá)為0.5%，可使LCD背光實(shí)現(xiàn)最精準(zhǔn)的顏色及亮度控制;外接時(shí)鐘和同步輸入允許LCD背景光和電視圖像同步，能實(shí)現(xiàn)“分塊調(diào)光控制”，達(dá)到盡可能高的對(duì)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(jì)如圖四所示：

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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

Y=0.299R+0.587G+0.114B

計(jì)算出亮度信號(hào)并按區(qū)域統(tǒng)計(jì)，得到各區(qū)域的亮度信號(hào);再通過I2C 模塊，將平均亮度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電路控制信號(hào)，以I2C協(xié)議的形式將控制信號(hào)送至LED 驅(qū)動(dòng)芯片以驅(qū)動(dòng)16 個(gè)區(qū)域PWM 背光調(diào)節(jié)模塊?？刂菩盘?hào)分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要相應(yīng)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(dú)立，互不相關(guān);FPGA 同時(shí)將RGB 格式的圖像信號(hào)通過7:1的OSERDES( 并串轉(zhuǎn)換器) 重新生成LVDS 信號(hào)傳送給液晶面板。液晶背光亮度根據(jù)電視畫面內(nèi)容實(shí)時(shí)同步調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)LED 背光動(dòng)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(dá)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(shí)現(xiàn)動(dòng)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(shí)際最大功耗為73W，在背光亮度調(diào)至最低水平時(shí)，測得實(shí)際功耗為38W;正常播放電視時(shí)測得平均功耗54W，節(jié)能效果明顯。由于電視畫面對(duì)應(yīng)區(qū)域亮度降低，畫質(zhì)會(huì)有微小損失，但人眼不易察覺,未來可結(jié)合圖像信號(hào)補(bǔ)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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法，描述了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成框圖及功能實(shí)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(diǎn)，其原理可廣泛應(yīng)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(yīng)用性，穩(wěn)定性等測試，各種器件均能達(dá)到良好的匹配，至少可將電視整機(jī)功耗降低四分之一，具有良好的應(yīng)用市場前景。本文創(chuàng)新點(diǎn)：基于FPGA 技術(shù)，構(gòu)建液晶電視LED 背光動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一款超薄、節(jié)能、高性價(jià)比的液晶電視機(jī)。