基于FPGA的彩色LED大屏幕控制系统

　　LED（Light Emitting Diode）大屏幕作为现代信息发布的重要媒体，正受到社会各界尤其是商业界和广告界的极大重视。随着科技的进步，全彩LED显示屏（RGB三基色）逐渐得到普及应用。LED大屏幕是21世纪广告业发展的趋势，是具有音视频功能的户内外广告展示设备，属国际领先的高科技产品。不仅外观新颖独特，其面积可随意调整，能播放音视频广告节目，而且四面还可装固定灯箱广告位，现各地政府都鼓励推行使用户外LED大屏幕，陆续取消帆布广告、灯箱广告审批。

　　本方案采用Actel的FPGA实现对彩色LED屏的控制，对于系统的可靠性大大增强，而且低成本的单芯片大大减轻了系统的成本。

　　1.概述

　　1.1 功能概述

　　选择FPGA实现LED全彩屏的控制，主要考虑系统的性能需求，系统的升级需要以及系统的设计成本等因素。现代社会对信息显示效果的高要求，以及视频数据量的加大，对显示控制器提出了挑战，如图 1所示。本文实现的LED全彩屏主要实现了以下功能：

　　● 保证全彩LED显示屏显示颜色不失真；

　　● 能够实现256级灰度；

　　● 能正确显示文字、图片、动画等信息；

　　● 可以接收PC机输出的DVI数据流实时显示。

图1 LED显示屏应用示例

　　1.2 系统框图

　　控制器主要完成对LED扫描板的控制和显示，其中包括色度控制、灰度控制、数据重构以及存储形式、扫描方式的选择等方面。控制器的功能框图如图 2所示。

图2 LED显示屏控制器功能框图

　　2.各功能模块介绍

　　控制器实现的主要难点在于其灰度的控制。利用人眼的视觉效应，我们知道，只要刷新频率足够高不产生LED器件闪烁的现象时，LED器件点亮的时间越长，显示的亮度就越强。为此我们将使用LED器件亮灭时间的占空比波形来控制灰度级别。下面我们分别介绍在8场扫描和19场扫描方式下的灰度控制。

　　2.1 8场扫描模块

　　8场扫描方式是针对串行驱动LED显示屏而提出的。以最常见的8bit位宽的显示数据来说，我们分8次显示，第一次将8位数据的第0位显示在LED屏上，第2次将8位数据的第1位显示在LED显示屏上，这样重复操作，直至将8位数据全部显示在LED显示屏上。只要扫描的频率足够高，那么将8次显示的效果叠加，就可以得到一个完整数据的数据显示效果。我们把一个LED点阵屏所有的像素点对应的同一数据位点亮一遍称为一场，8位数据共需8场才能显示完，把这种方式称为“8场扫描”。

　　“8场扫描”方式下，每一个数据位对应的点亮时间如所示。我们设扫描一行的时间为T。从表 1可以看出，这种方式的点亮的效率是比较低的。

表1 数据对应点亮时间

      基于上述的8场扫描方式，如图3所示，我们将8场扫描每一场分别对应一个固定的占空比信号，用于控制LED器件的亮灭。从分析可知，8位数据的每一位权值：1，2，4，8，16，32，64，128，就是每一场对应的占空比因子，每一场占空比分别为：1/256，2/256，4/256，8/256，16/256，32/256，64/256，128/256。一个像素点的完整占空比值等于每一位0/1数据和对应的权值乘积之和，计算可知这个比值刚好是从00到FF，这就构成了256种灰度级别。

图3 数据位灰度权值

　　2.2 19场扫描模块

　　基于上一小节中介绍的“8场扫描”，我们知道8场扫描的严重缺点是点亮的效率比较低。所以，作为控制器的一个功能提升，我们设计了“19场扫描”的方式，这种方式延续了串行驱动的思想，只是在数据位读取方面做了一些改动。

　　如图 4所示，可以看出19场设计的原理是将数据的高位连续多显示几次，以提高数据的显示亮度。19场扫描数据低5位时和8场扫描是一样的，但第5位连续读2次，第6位连续读4次，第7位连续读8次。

图4 8场扫描和19场扫描的位地址

　　同时需要注意的一点是：在改变数据位显示次数的时候，应遵循不改变其颜色的占空比值为前提。

　　通过计算证明19场扫描方式的每一个数据位读取次数是比较合理的。19场扫描灰度控制和8场的灰度控制是一样的原理，19场扫描方式下，虽然对一个8bit数据总共显示了19次，但数据位依然是从第0位扫描到第7位，所以只要给固定的数据位加载其对应的占空比信号来控制其灰度显示就能符合要求。

　　2.3 控制器时钟树设计

　　本文中控制器因为综合了两种扫描方式，每一种扫描方式的工作频率又不一样，所以整个控制器涉及了较多的工作频率，也即跨时钟域工作的现象很多，如图 5所示，这里就充分利用了FPGA的时序逻辑资源。Actel FPGA的时钟网络相当丰富，除了全局时钟网络以外，内部还具有分段式的布线结构，可以使得FPGA内部具有可以高达252个时钟。

图5 系统时钟域分布图

　　此外，由于控制器需要处理的数据比较庞大，根据FPGA的设计思想，采用乒乓操作实现对数据的存储，以提高数据的处理速度。在数据来源方面，控制器可以显示内部存储的静态图像，也可以显示外部输入的数据。在处理前级系统传输来的数据的时候，就涉及到数据的接口问题。根据FPGA的接口处理设计思想，采用FIFO作为数据的接口，以实现数据的同步。

　　3.市场应用

　　LED显示屏在信息发布场合已经是很常见了，常被广泛应用于工业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、模拟军事演习、电子景观等领域，如图 6所示。随着对生活质量的要求越来越高，LED显示屏也可用于室内装饰、展厅显示等，在未来LED显示屏的应用将会越来越广泛，应用Actel的FPGA可以为LED控制器提供最佳的方案。

图6 LED显示屏应用实例