基于FPGA的LED大屏幕控制系统的设计实现

1、基于fpga的led大屏幕控制系统的设计实现相比于液晶显示、投影显示等其他大屏幕显示技术，显示技术有其独特的优越性：高亮度、宽可视角度、丰盛的颜色以及可定制的屏幕外形。这些特点使得led显示屏被广泛应用于工业、交通、商业广告、信息发布、体育竞赛等各个领域。led大屏幕控制系统是一个融合计算机控制技术、视频技术、光技术、通信技术的综合系统。当前主流的led大屏幕控制系统多以或fpga结合其他芯片为主控芯片。目前led大屏幕正朝着显示面积更大、显示亮度更高、色彩更艳丽的方向进展。这些都给led大屏幕控制系统提出了新的挑战。本文基于公司的低成本cyclone ii系列芯片ep2cq208c设计了le

2、d大屏幕控制系统，在传统的sdram缓存技术上，提出了优化的sdram乒乓式缓存技术并具体阐述了反校正、色彩调整、灰度级调整等在fpga中的实现。本系统终于实现了最大1 280×1 024辨别率、最低240 hz刷新率的超大led屏幕显示。同时可以通过pc机上软件对led屏幕举行亮度、对照度、灰度级等参数的灵便调整，得到越发细腻的显示画面。1 系统结构本文所设计的led大屏幕控制系统结构1所示，囫囵系统分为发送卡和接收卡两部分。以altera公司的ep2cq208c作为主控芯片，dvi数据解码选用了ti公司的tfp201a(最高支持sxga)，数据缓存选用了samsung的k4s64

3、3232c，千兆以太网芯片选用了realtek公司的rtl8212（双端口千兆物理层芯片）。本系统的数据流分为控制数据和显示数据。控制数据由pc机上的软件发出，发送卡的fpga接收控制数据，判定是控制发送卡还是控制接收卡的数据，假如是控制接收卡，则通过千兆网络将数据发送至接收卡。tfp201a从dvi接口解码出显示数据后由fpga缓存入sdram，然后在读出数据时根据显示屏要求对数据块结构作一定调节后再由rtl8212打包发送至接收卡，接收卡接收显示数据，然后驱动led显示屏。本文主要研究系统中的fpga部分，包括以下三点：(1)对sdram乒乓式缓存的优化；(2)基于fpga内部ram与pc

4、机软件的反校正与灰度级变换；(3)led显示屏的亮度、对照度等色彩调整在fpga中的实现。2 sdram乒乓式缓存的优化传统的基于sdram的乒乓式缓存计划1，2都存在着数据读写操作复杂或者数据结构调节局限性大的缺点。结合现有计划的优点，本文提出了图2所示的sdram数据缓存计划。本系统的发送卡设计目标是最大支持1280×1024辨别率、60 hz刷新率的全彩数据发送，此时的像素频率为：即本计划满足系统数据吞吐量的要求。因为两个sdram中存储相同数据，具有相同格式，所以sdram读写模块可以同时向两个sdram中写入或读出显示数据，这样两块sdram可以共用地址线，从而节约数十个f

5、pga io端口，这是本计划的一大优点。同时每块sdram中划分了两个区，用以存放延续的两帧图像，可以按照led显示屏的详细要求，从sdram中读出显示数据，满足系统灵便性的要求。3 反校正与灰度级调整特定条件下创建的图像在不同环境下工作时,往往会浮现图像看起来显得太亮或者太暗的现象,所以led大屏幕显示系统需要举行灵便的反值调整。当前反校正多采纳基于fpga内部rom的查找表技术。式(1)为反校正公式，式中默认输入图像灰度级为256，输出灰度级为g，x为输入灰度值，y为输出灰度值，为校正系数。要在fpga中实现指数运算需要消耗大量规律单元，对于低成本要求来说是不现实的。本文提出了3所示的基于

6、fpga片内ram、片外eeprom和pc机软件的反校正技术。在fpga中的详细实现为：首先用法altera自带的ip核，将3个数据宽度为16 bit、数据深度为256的双端口ram实例化作为查找表。系统起动时，初始化模块首先从外部eeprom中读出256个配置数据，初始化ram查找表。初始化完成后，灰度变换模块将24 bit rgb数据分别成3个8 bit数据作为ram地址，读出数据作为转换后的灰度值。当需要修改值时，通过pc机软件生成新的校正表，然后通过串口发送到发送卡，发送卡将数据发送至接收卡，在灰度变换模块的控制下将数据写入ram。假如需要保存校正数据，初始化模块从ram中读出数据写入

7、eeprom中。3个ram中存放的是相同的校正数据，所以初始化模块可以同时对3个ram举行初始化，从ram中读出配置数据时也只需要其中一个ram中的值。本办法结合pc机软件可以实现15的值延续调整和116的灰度级延续调整。4 对照度、亮度调整在fpga中的实现(1)对照度调整增加对照度事实上是增加原图各部分的反差，通过增强原图里某两个灰度值间的动态范围来实现。这样压缩较亮和较暗区域的灰度级，扩展中间区域的灰度级，从而使详情部分越发清楚。假设输入灰度级为f(x，y)，输出灰度级为g(x，y)，则对照度增加的计算如式(6)所示。由式(6)可以看出，通过这种办法调整对照度后会压缩图像的灰度级，使变换

8、后的图像走失亮区和暗区的详情，所以此种办法不适合大范围调整。按照人眼对高亮度区域的灰度级变幻不敏感，而对低灰度级区域灰度级变幻非常敏感的视觉特点，本系统挑选不压缩低灰度级区域。式中n为调整系数，终于当0n100时比较合适。(2)亮度调整本文在现有脉宽调制亮度调整技术上提出了改进的亮度调整计划。本系统选用120 mhz的时钟作为脉宽计数器的驱动时钟，所以可以产生起码9 ns宽的脉冲。按照led屏幕的驱动理论，选用9 ns作为最低亮度的最低灰度级的脉冲宽度，选用12灰度级时最高灰度级的脉冲宽度为9×211 ns。设竖直串行需要移2 560个数据，本系统选用12 mhz的屏幕数据移位时钟，

9、则2 560个数据移入屏幕需要213 s，在灰度级脉冲宽度时光小于213 s时，就需要等待数据移入屏幕，而在灰度级脉冲宽度时光大于213 s时，数据移位则需要等待脉冲宽度计数完成。调整亮度是对每一个灰度级的脉冲宽度乘上一个相同的系数。以64级亮度控制为例，最高亮度时最低灰度级的脉冲宽度为9×64 ns，最高灰度级的脉冲宽度为9×211×64 ns。采纳脉冲宽度调制方式实现灰度控制，则扫描完一帧图像所需要时光由式(7)计算得出：213 s×9+294.912s+0.589 824 ms+1.1796 48 ms=3.981 384 ms (7)本系统接收的

10、视频源的刷新率为60 hz，为了避开帧间图像撕裂的现象浮现，led显示屏的刷新率是视频源刷新率的整数倍。视频源的换帧时光为16.6 ms，led显示可以在这个时光内读取同一帧数据举行屏幕刷新，按照上面的计算结果有 3.981 384×416.6 ms，即可得出led显示屏的刷新率为60 hz×4=240 hz。本文基于altera的低成本cyclone ii 系列fpga ep2cq208c设计了一种高性能、低成本的led大屏幕控制系统。通过改进sdram乒乓式缓存计划既节约了fpga的io口，又提高了系统的灵便性。设计了一种基于fpga的片内ram和pc机软件的反校正与灰度级设置计划，同时设计了在fpga中实现的图像对