基于FPGA的LED大屏幕控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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相比于液晶顯示、投影顯示等其他大屏幕顯示技術(shù)，LED顯示技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)越性：高亮度、寬可視角度、豐富的色彩以及可定制的屏幕形狀。這些特點(diǎn)使得led顯示屏被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)廣告、信息發(fā)布、體育比賽等各個(gè)領(lǐng)域。
led大屏幕幕控制系統(tǒng)是一個(gè)融合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、通信技術(shù)的綜合系統(tǒng)。當(dāng)前主流的led大屏幕幕控制系統(tǒng)多以FPGA或FPGA結(jié)合其他芯片為主控芯片。目前led大屏幕幕正朝著顯示面積更大、顯示亮度更高、顏色更鮮艷的方向發(fā)展。這些都給led大屏幕幕控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。
本文基于Altera公司的低成本Cyclone II系列芯片EP2CQ208C設(shè)計(jì)了led大屏幕幕控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的SDRAM緩存技術(shù)上，提出了優(yōu)化的SDRAM乒乓式緩存技術(shù)并詳細(xì)闡述了反γ校正、顏色調(diào)節(jié)、灰度級(jí)調(diào)節(jié)等在FPGA中的實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了最大1 280×1 024分辨率、最低240 Hz刷新率的超大LED屏幕顯示。同時(shí)可以通過PC機(jī)上軟件對(duì)LED屏幕進(jìn)行亮度、對(duì)比度、灰度級(jí)等參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，得到更加細(xì)膩的顯示畫面。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計(jì)的led大屏幕幕控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為發(fā)送卡和接收卡兩部分。以Altera公司的EP2CQ208C作為主控芯片，DVI數(shù)據(jù)解碼選用了TI公司的TFP201A(最高支持SXGA)，數(shù)據(jù)緩存選用了Samsung的K4S643232C，千兆以太網(wǎng)芯片選用了Realtek公司的RTL8212（雙端口千兆物理層芯片）。
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為控制數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)�？刂茢�(shù)據(jù)由PC機(jī)上的軟件發(fā)出，發(fā)送卡的FPGA接收控制數(shù)據(jù)，判定是控制發(fā)送卡還是控制接收卡的數(shù)據(jù)，如果是控制接收卡，則通過千兆網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收卡。TFP201A從DVI接口解碼出顯示數(shù)據(jù)后由FPGA緩存入SDRAM，然后在讀出數(shù)據(jù)時(shí)按照顯示屏要求對(duì)數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)作一定調(diào)整后再由RTL8212打包發(fā)送至接收卡，接收卡接收顯示數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動(dòng)led顯示屏。
本文主要討論系統(tǒng)中的FPGA部分，包括以下三點(diǎn)：
(1)對(duì)SDRAM乒乓式緩存的優(yōu)化；
(2)基于FPGA內(nèi)部RAM與PC機(jī)軟件的反γ校正與灰度級(jí)變換；
(3)led顯示屏的亮度、對(duì)比度等顏色調(diào)節(jié)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)。
2 SDRAM乒乓式緩存的優(yōu)化
傳統(tǒng)的基于SDRAM的乒乓式緩存方案[1，2]都存在著數(shù)據(jù)讀寫操作復(fù)雜或者數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整局限性大的缺點(diǎn)。結(jié)合現(xiàn)有方案的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了圖2所示的SDRAM數(shù)據(jù)緩存方案。
本系統(tǒng)的發(fā)送卡設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大支持1 280×1 024分辨率、60 Hz刷新率的全彩數(shù)據(jù)發(fā)送，此時(shí)的像素頻率為：
即本方案滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐量的要求。由于兩個(gè)SDRAM中存儲(chǔ)相同數(shù)據(jù)，具有相同格式，所以SDRAM讀寫模塊可以同時(shí)向兩個(gè)SDRAM中寫入或讀出顯示數(shù)據(jù)，這樣兩塊SDRAM可以共用地址線，從而節(jié)省數(shù)十個(gè)FPGA IO端口，這是本方案的一大優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)每塊SDRAM中劃分了兩個(gè)區(qū)，用以存放連續(xù)的兩幀圖像，可以根據(jù)led顯示屏的具體要求，從SDRAM中讀出顯示數(shù)據(jù)，滿足系統(tǒng)靈活性的要求。
3 反γ校正與灰度級(jí)調(diào)節(jié)
特定條件下創(chuàng)建的圖像在不同環(huán)境下工作時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)圖像看起來顯得太亮或者太暗的現(xiàn)象,所以led大屏幕幕顯示系統(tǒng)需要進(jìn)行靈活的反γ值調(diào)節(jié)。當(dāng)前反γ校正多采用基于FPGA內(nèi)部ROM的查找表技術(shù)[3]。式(1)為反γ校正公式，式中默認(rèn)輸入圖像灰度級(jí)為256，輸出灰度級(jí)為G，x為輸入灰度值，y為輸出灰度值，γ為校正系數(shù)。要在FPGA中實(shí)現(xiàn)指數(shù)運(yùn)算需要消耗大量邏輯單元，對(duì)于低成本要求來說是不現(xiàn)實(shí)的。本文提出了如圖3所示的基于FPGA片內(nèi)RAM、片外EEPROM和PC機(jī)軟件的反γ校正技術(shù)。
在FPGA中的具體實(shí)現(xiàn)為：首先使用Altera自帶的IP核，將3個(gè)數(shù)據(jù)寬度為16 bit、數(shù)據(jù)深度為256的雙端口RAM實(shí)例化作為查找表。系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，初始化模塊首先從外部EEPROM中讀出256個(gè)配置數(shù)據(jù)，初始化RAM查找表。初始化完成后，灰度變換模塊將24 bit RGB數(shù)據(jù)分離成3個(gè)8 bit數(shù)據(jù)作為RAM地址，讀出數(shù)據(jù)作為轉(zhuǎn)換后的灰度值。當(dāng)需要修改γ值時(shí)，通過PC機(jī)軟件生成新的γ校正表，然后通過串口發(fā)送到發(fā)送卡，發(fā)送卡將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收卡，在灰度變換模塊的控制下將數(shù)據(jù)寫入RAM。如果需要保存校正數(shù)據(jù)，初始化模塊從RAM中讀出數(shù)據(jù)寫入EEPROM中。3個(gè)RAM中存放的是相同的校正數(shù)據(jù)，所以初始化模塊可以同時(shí)對(duì)3個(gè)RAM進(jìn)行初始化，從RAM中讀出配置數(shù)據(jù)時(shí)也只需要其中一個(gè)RAM中的值。本方法結(jié)合PC機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)1～5的γ值連續(xù)調(diào)節(jié)和1～16的灰度級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)。
4 對(duì)比度、亮度調(diào)節(jié)在FPGA中的實(shí)現(xiàn)
(1)對(duì)比度調(diào)節(jié)
增強(qiáng)對(duì)比度實(shí)際上是增強(qiáng)原圖各部分的反差，通過增加原圖里某兩個(gè)灰度值間的動(dòng)態(tài)范圍來實(shí)現(xiàn)[4]。這樣壓縮較亮和較暗區(qū)域的灰度級(jí)，擴(kuò)展中間區(qū)域的灰度級(jí)，從而使細(xì)節(jié)部分更加清晰。假設(shè)輸入灰度級(jí)為f(x，y)，輸出灰度級(jí)為g(x，y)，則對(duì)比度增強(qiáng)的計(jì)算如式(6)所示。由式(6)可以看出，通過這種方法調(diào)節(jié)對(duì)比度后會(huì)壓縮圖像的灰度級(jí)，使變換后的圖像丟失亮區(qū)和暗區(qū)的細(xì)節(jié)，所以此種方法不適合大范圍調(diào)節(jié)。根據(jù)人眼對(duì)高亮度區(qū)域的灰度級(jí)變化不敏感，而對(duì)低灰度級(jí)區(qū)域灰度級(jí)變化十分敏感的視覺特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇不壓縮低灰度級(jí)區(qū)域。式中n為調(diào)節(jié)系數(shù)，最終當(dāng)0
(2)亮度調(diào)節(jié)
本文在現(xiàn)有脈寬調(diào)制亮度調(diào)節(jié)技術(shù)[5]上提出了改進(jìn)的亮度調(diào)節(jié)方案。本系統(tǒng)選用120 MHz的時(shí)鐘作為脈寬計(jì)數(shù)器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，所以可以產(chǎn)生至少9 ns寬的脈沖。根據(jù)LED屏幕的驅(qū)動(dòng)理論，選用9 ns作為最低亮度的最低灰度級(jí)的脈沖寬度，選用12灰度級(jí)時(shí)最高灰度級(jí)的脈沖寬度為9×211 ns。設(shè)豎直串行需要移2 560個(gè)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用12 MHz的屏幕數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘，則2 560個(gè)數(shù)據(jù)移入屏幕需要213 μs，在灰度級(jí)脈沖寬度時(shí)間小于213 μs時(shí)，就需要等待數(shù)據(jù)移入屏幕，而在灰度級(jí)脈沖寬度時(shí)間大于213 μs時(shí)，數(shù)據(jù)移位則需要等待脈沖寬度計(jì)數(shù)完成。調(diào)節(jié)亮度是對(duì)每一個(gè)灰度級(jí)的脈沖寬度乘上一個(gè)相同的系數(shù)。以64級(jí)亮度控制為例，最高亮度時(shí)最低灰度級(jí)的脈沖寬度為9×64 ns，最高灰度級(jí)的脈沖寬度為9×211×64 ns。采用脈沖寬度調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)灰度控制，則掃描完一幀圖像所需要時(shí)間由式(7)計(jì)算得出：
213 μs×9+294.912μs+0.589 824 ms+1.1796 48 ms =3.981 384 ms
本系統(tǒng)接收的視頻源的刷新率為60 Hz，為了避免幀間圖像撕裂的現(xiàn)象出現(xiàn)，led顯示屏的刷新率是視頻源刷新率的整數(shù)倍。視頻源的換幀時(shí)間為16.6 ms，LED顯示可以在這個(gè)時(shí)間內(nèi)讀取同一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行屏幕刷新，根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果有 3.981 384×4<16.6 ms，即可得出led顯示屏的刷新率為60 Hz×4=240 Hz。
本文基于Altera的低成本Cyclone II 系列FPGA EP2CQ208C設(shè)計(jì)了一種高性能、低成本的led大屏幕幕控制系統(tǒng)。通過改進(jìn)SDRAM乒乓式緩存方案既節(jié)省了FPGA的IO口，又提高了系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的片內(nèi)RAM和PC機(jī)軟件的反γ校正與灰度級(jí)設(shè)置方案，同時(shí)設(shè)計(jì)了在FPGA中實(shí)現(xiàn)的圖像對(duì)比度、亮度調(diào)節(jié)模塊。本系統(tǒng)最大可驅(qū)動(dòng)1 280×1 024分辨率LED屏幕，刷新率不低于240 Hz，且灰度級(jí)、反γ校正系數(shù)、亮度、對(duì)比度等均可通過PC機(jī)軟件靈活調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)屏幕驅(qū)動(dòng)面積、LED屏幕刷新率的靈活設(shè)置，今后的工作將深入討論這幾方面之間的關(guān)系以及各種設(shè)置在FPGA中的實(shí)現(xiàn)。
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