1 、引言

　　作為大型平板顯示設(shè)備的一種，LED 顯示屏以其使用壽命長,、維護費用低,、功耗低等特點在顯示領(lǐng)域占有重要的位置。特別在近年,，帶有紅,、綠、藍三基色以及灰度顯示效果的全彩LED 顯示屏,，以其豐富多彩的顯示效果而倍受業(yè)界關(guān)注,，成為LED 顯示屏市場近年增長幅度比較大的產(chǎn)品。壽命,、單位面積亮度,、三基色的偏差程度、點距,、對比度,、灰度等級(包括灰度級數(shù)和線性度) 、掃描頻率等指標性能是衡量或橫向比較大型顯示設(shè)備好壞的標準,。而這些指標性能的優(yōu)劣,，很大程度上決定于掃描控制器的性能。因此對大屏幕全彩L ED 顯示掃描控制方法的研究有著重要的意義,。

　　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)節(jié)占空比來實現(xiàn)的,。全彩LED 顯示屏一般采用逐位點亮的掃描方式實現(xiàn)灰度圖像顯示,。對于顯示灰度級數(shù)為8 位的LED 顯示屏，一般采用“19場掃描”原理來實現(xiàn)256 級灰度顯示,。L ED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)更新一般采用串行輸出方式,，如采用595 進行設(shè)計的靜態(tài)LED 全彩顯示屏，根據(jù)“19 場掃描”原理,，對于分辨率等規(guī)格確定的屏體,，當串行移位時鐘確定時，顯示屏的刷新頻率和LED 的發(fā)光效率(一個掃描周期內(nèi),，LED的最長點亮時間所占的比例) 也就被確定,。本文提出了一種新的逐位點亮掃描方式，該方式對典型的“19場掃描”方式進行了改進,，可以在串行移位時鐘確定的條件下,，在一定范圍內(nèi)對刷新率和發(fā)光效率進行調(diào)節(jié)，從而提高了產(chǎn)品根據(jù)實際的應(yīng)用環(huán)境和客戶要求進行設(shè)計的靈活性,。

　　2 ,、逐位點亮的灰度實現(xiàn)算法設(shè)計

　　以8 位“19場掃描”理論為例,，所謂逐位點亮，即從一個字節(jié)數(shù)據(jù)中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數(shù)據(jù),，分8 次點亮對應(yīng)的像素,，每一位對應(yīng)的點亮時間與關(guān)斷時間的占空比不同。如果點亮時間從低位到高位依次倍增,，則合成的點亮時間將會有256 種組合,。定義D0 位對應(yīng)的點亮時間加上關(guān)斷時間為一個時間單位，設(shè)為T ,，可得表1 所示各位的點亮與關(guān)斷時間,。

　　表1  “19場掃描”顯示時各位的點亮與關(guān)斷時間

      在實際設(shè)計中， T也是對LED 顯示屏進行一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時間,。表1 所示的總時間是T 的整數(shù)倍,，所以每個數(shù)據(jù)位所占用的總時間可以通過刷新一次屏幕數(shù)據(jù)來進行定時。在進行LED顯示屏設(shè)計時,，整個顯示屏中LED 的亮與滅可以通過總控線EN 控制,，當點亮時間≥1 T時，EN 控制顯示屏處于常亮狀態(tài),，而當點亮時間< 1 T 時,，可以通過控制EN 產(chǎn)生相應(yīng)占空比的控制波形來實現(xiàn)相應(yīng)位的亮度控制?？梢姡?ldquo;19場掃描”原理,，在串行移位時鐘和屏體具體規(guī)格確定的情況下,，其刷新率也就被確定了，并且具有固定的發(fā)光效率η,。

　　η =6 點亮時間6 總時間≈ 16 T19 T≈ 84 % (1)由灰度顯示的原理可以知道,，能否實現(xiàn)灰度顯示，決定于各個數(shù)據(jù)位的點亮時間從低位到高位是否以2 的倍數(shù)遞增,，而關(guān)斷時間的長短只會影響發(fā)光效率的大小,。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，使用了8～10 位的非線性灰度校正,，因此需要實現(xiàn)10位灰度掃描控制,。定義“t”為點亮時間的一個時間單位，則可得表2 所示的時間分配,。如果定義數(shù)據(jù)為“1”有效(點亮) “,， 0”無效(熄滅) ，當輸入數(shù)據(jù)從000H 到3FFH 變化時,，點亮時間在0t～1 023t 變化,，而亮度控制總時間則保持不變,，從而實現(xiàn)了10 位占空比控制，采用這種灰度控制方法可以實現(xiàn)1 024 級的灰度顯示,。與“19 場掃描”原理不同,，本文控制點亮的時間不是通過屏幕刷新來實現(xiàn)，而是采用單獨的計數(shù)器來進行計時控制的,。

　　表2 　逐位點亮控制中各位數(shù)據(jù)點亮時間分配表

　　 設(shè)使用串行方式更新整場視頻圖像一位數(shù)據(jù)所需要的時間為Ts ,，如果Ts 滿足:

　　則完成一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時間在Dn - 1位所需要的點亮時間和Dn 位的點亮時間之間，這個時間也許小于一個時間t,。由于串行數(shù)據(jù)更新時間和點亮時間可以部分重疊,，設(shè)屏幕的刷新率(即顯示數(shù)據(jù)幀從顯示緩存讀出進行屏幕顯示更新的頻率) 為f r ，可以得到式(3) ,。

　　當串行時鐘頻率和屏體參數(shù)確定,， Ts 便可計算出來。此時,，如果設(shè)定了屏幕的刷新率,，結(jié)合式(2) 和式(3) ，對n 從0～9 進行窮舉計算,，可以得到同時滿足兩式條件的n 值,，同時可以確定單位時間t 的值。由此得到的t 值,，通過FPGA 進行定時控制,，便可實現(xiàn)一定刷新率的全彩灰度控制。

　　這里LED 的發(fā)光效率可以用式(4) 表示,。

　　從式(3) 可知,，當串行移位時鐘頻率一定，即Ts 確定的情況下,，刷新率f r 與單位時間t 成反比,。而式(4) 表明，發(fā)光效率η和單位時間t 成正比,?？梢姡⑿侣屎桶l(fā)光效率成反比關(guān)系,，提高刷新率的同時必然要犧牲發(fā)光效率,。因此，采用上述掃描方式,，設(shè)計者可以根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境和客戶的要求在刷新率和發(fā)光效率兩者之間進行適當?shù)恼{(diào)整,。

　　如果要求系統(tǒng)的全彩灰度控制符合“19 場原理”的顯示效果，則由表2 可得表3 所示的關(guān)斷時間t0 ～t9 的值,。結(jié)合表3 中t0 ～ t9 的值,，對表2中總時間各項進行求和,，便可得總時間為Ta =1 152t ，根據(jù)1 152t = 1/ f r 可得到t 值,。

　　表3 逐位點亮控制中符合“19 場掃描”時各位數(shù)據(jù)關(guān)斷時間分配表在系統(tǒng)設(shè)計中,，掃描板每個輸出端口分別控制16 ×48 分辨率的靜態(tài)顯示屏模塊，紅,、綠,、藍三色顯示數(shù)據(jù)采用3 根數(shù)據(jù)線分別輸出，串行移位時鐘頻率為6. 25 MHz ,，顯示屏刷新頻率設(shè)計要求為120 Hz ,，利用以上的結(jié)論可得:

　　Ts = 16×48×16125×106 s = 122188μs然后進行窮舉計算，如表4 所示,，可以得到單位時間t 的值為7. 780μs,。

　　表4 對n 進行窮舉計算得到單位時間t 的值根據(jù)式(4) ，可計算得到發(fā)光效率η = 1023tf r = 1023 ×71780 ×10- 6 s ×120Hz = 9515 %

　　3,、 FPGA 電路設(shè)計

　　視頻圖像信號頻率高,、數(shù)據(jù)量大，要求實時處理,，加之全彩大屏幕LED 控制器實現(xiàn)的數(shù)字邏輯相當復(fù)雜,，采用CPLD/ FPGA 設(shè)計控制電路，可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),，便于調(diào)試,。本文設(shè)計的掃描控制器應(yīng)用于大屏幕全彩LED 脫機視頻播放系統(tǒng)中。其中涉及到視頻信號的存儲和讀取,、視頻數(shù)據(jù)的傳輸和接收,、灰度顯示控制電路、LED 點陣顯示驅(qū)動電路等,。本文主要對灰度顯示控制電路進行討論,，控制對象為以紅,、綠,、藍三色LED 組成的全彩靜態(tài)顯示屏。實現(xiàn)灰度顯示控制器的FPGA 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示,。

　　在LED 顯示屏掃描控制電路中,，F(xiàn)PGA 是其中最主要的邏輯控制器件，主要實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)接收,、非線性灰度校正和掃描信號產(chǎn)生功能,。FP2GA 內(nèi)部各個電路模塊相互協(xié)調(diào)運作，將數(shù)據(jù)輸入和顯示輸出連接起來,，實現(xiàn)L ED 顯示屏的全彩視頻播放,。

　　作為一個獨立的顯示系統(tǒng),，普通的RS232 、RS485 總線方式已不能滿足L ED 顯示屏進行多媒體視頻播放所要達到的高數(shù)據(jù)速率傳輸要求,。以512 ×256 的全彩顯示屏為例,，當要求系統(tǒng)換幀頻率達到30 Hz 時，需要的數(shù)據(jù)傳輸速率高達94. 4 Mbp s,。因此,，在系統(tǒng)設(shè)計中，視頻數(shù)據(jù)的傳輸和接收采用RTL8201 設(shè)計的100 M 以太網(wǎng)控制器來完成,。

　　為了使視頻播放連續(xù)平滑,，在數(shù)據(jù)接收過程中不能打斷顯示，這里采用兩組SRAM 進行“乒乓操作”,，使顯示數(shù)據(jù)的接收存儲和讀取能夠同時進行,， 從而實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流的無縫緩沖和處理 ， 如圖2 所示,。換幀信號FRAME _SWITCH 是用來切換工作SRAM 組的,，該信號決定兩組SRAM 哪一組處于讀狀態(tài)，哪一組處于寫入狀態(tài),。RTL8201 數(shù)據(jù)接收模塊建立MII 接口,，實現(xiàn)與RTL8201 的接口，把MII 接口傳送過來的半字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為24 位RGB 數(shù)據(jù),，然后存儲在SRAM 里,。RTL8201 每接收完一幀顯示數(shù)據(jù)，則對換幀信號FRAME_ SWITCH 進行求反,，將兩組SRAM 的讀寫位置切換過來,，使顯示屏顯示最新接收到的幀數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)換幀操作,。

　　由于LED 顯示屏包含4 列相互獨立的顯示模塊,，因此掃描控制電路需要提供4 路RGB 數(shù)據(jù)輸出接口， 在圖1 中表示為RGB0 ～ RGB3 ,。

　　CLOCK_OUT 為移位時鐘信號輸出端口,，RGB0～RGB3 在該時鐘的上升沿有效，各個端口的紅,、綠,、藍三色顯示數(shù)據(jù)通過時鐘脈沖信號分別逐位移入驅(qū)動芯片的顯示緩存。LA TCH 信號為串行數(shù)據(jù)輸出結(jié)束后需要進行顯示刷新時的鎖存脈沖,。EN 為灰度控制信號,，當EN 有效時，L ED 可以隨輸入數(shù)據(jù)的0 ,、1 狀態(tài)熄滅或者點亮,，其有效時間寬度對應(yīng)為表2 所示的點亮時間,。

　　EN 信號產(chǎn)生模塊為實現(xiàn)灰度圖像顯示的重要模塊，該模塊將輸入的位計數(shù)值轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)位的點亮時間,，并進行相應(yīng)時間長度的亮度控制,。

　　在本設(shè)計中，輸入的灰度信號為256 級,，考慮到反γ非線性校正過程引起的灰度損失,，將輸出的灰度級別定義為1 024 級，因此需要得到10 位灰度數(shù)據(jù)各個位對應(yīng)的點亮時間,。依據(jù)“灰度實現(xiàn)原理”,，10 位灰度數(shù)據(jù)各個數(shù)據(jù)位對應(yīng)的點亮時間從D0 ～D9 分別從1 T 倍增為512 T ，點亮總時間為1 023 T ,。

　　由于驅(qū)動板中驅(qū)動芯片有二級緩存功能,，所以更新數(shù)據(jù)和點亮L ED 這兩個控制過程可以部分重疊，從而得到圖3 所示的LED顯示屏灰度控制流程,。更新第0 位數(shù)據(jù)時點亮時間為512 T ,、更新第1 位數(shù)據(jù)時點亮時間為1 T ...依次類推，更新第n 位數(shù)據(jù)時,，控制點亮的時間為上一次所更新的位所需要的點亮時間,。

　　4、結(jié)論

　　討論了一種大屏幕全彩L ED 顯示屏設(shè)計的掃描控制器設(shè)計方案,，通過對“19 場掃描”實現(xiàn)方法的分析,，針對其不足之處，提出了一種新式的逐位點亮灰度控制方法,。該控制方法使得在全彩LED 顯示屏的設(shè)計中,，可以在L ED 的發(fā)光效率和刷新率之間進行靈活的調(diào)整。本設(shè)計采用FP2GA 控制芯片為設(shè)計平臺來完成掃描控制電路的實現(xiàn),，借助EDA 開發(fā)工具,，降低了驅(qū)動電路的設(shè)計難度，縮短了項目的開發(fā)周期,。