基于FPGA的8位并行输入LED扫描控制芯片设计

一、介绍
LED(light emitting diode)显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管(LED)是一种电流控制器件,具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点, 能胜任各种场合实时性、多样性、动态性的信息发布任务, 因此得到了广泛的应用。LED大屏幕是通过一定的控制方式, 用于显示文字、图像、行情等各种信息以及电视、录像信号, 并由LED器件阵列组成的显示屏幕.LED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、广告界的极大重视，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[1]。
本论文介绍了一种8位并行输入LED显示驱动芯片，在大屏幕LED显示系统中实现了从白到黑的多色彩的256级灰度显示[2]，画面稳定清晰，取得了良好的视觉效果。
二、大屏幕LED的系统构成
考虑到LED电气特性以及机械安装等实际应用的要求，无论是室内LED电子显示系统或是室外LED电子显示屏，在结构上都采用了标准单元块的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32个显示象素灯管构成一个单元块。每一个单元块形成自身独立的电子扫描功能、控制功能、存储功能，并以此构成一个独立的子系统；然后，再由各个标准源以及通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕
电子显示系统[2]，外加一定的计算机控制部件、带有数字化分量输出的多媒体卡或DVI卡及电源记忆通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕电子显示系统。该系统的结构框图如图1所示。
 

其中的核心部分是LED扫描控制芯片，这个也是本文所要讨论的重点。该芯片为8位并行输入的LED显示驱动结构，可驱动16×8的LED屏体，应用在LED大屏幕上可以通过多片级联来实现LED大屏幕的显示。

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三、LED扫描方法和控制芯片的研究
1、灰度扫描方法的研究
对高灰度级LED大屏幕显示而言，灰度的分层(灰度扫描)方法是视频控制器设计的关键，由于LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间近似成正比，所以灰度等级的实现通常是由控制LED的发光时间与扫描周期的比值，即采用调制占空比来实现的。
(l)灰度扫描约束公式
设显示灰度等级数为N，由于灰度级为1的像素在屏体的对应点亮时间为td，因而灰度线性调制后灰度级为i的数据显示时间为itd，灰度级最高的数据显示时间为(N一l)×td。通常的考虑[3]是在td内完成对存储器一行数据的一次读出，同时以td为周期将读出的一行数据打人到屏体进行灰度显示。由于共有N个灰度级数，帧扫描周期为: T=n× td ×m     (l)；
屏体显示效率:η=(N一l)× td × m/T=(N一l)/N     (2)；
设视频数据输人速率为VI，存储器读出速率为Vo，由于必须在td内完成存储单元内一行数据的一次读出，故有Vo/Vi >=h/(td ×n)     (3)；
设λ为存储器读出与输人速率的比值，即λ＝Vo/Vi，将(l)式代人(3)式中，有
λ>=h×N×m/(T×n)     (4)；
为保证图像的稳定显示，扫描帧频必须足够高，设F>=F0(即T<=T0，T0=1/F0)，F0为人眼可接受的扫描帧频(F0>=60)，代人(4)式得λ>= h×N×m/(T0×n)     (5)；
代人(1)式得 td= T0/(N×m)     (6)
式(5)和(6)即为灰度扫描约束公式。
(2)256灰度级全屏扫描
对于256灰度级全屏扫描，高的灰度级数、高扫描帧频与低的存储器读出速率是相互矛盾的。要获得高的灰度级数，就必须提高存储器读出速率，或者降低帧扫描频率，当灰度级数较高时，以目前的集成电路实现水平难以达到三者的兼顾。解决的方法之一是大量采用并行结构，但扫描频率每减小一倍成本就增加将近一倍，而且电路的复杂程度也有所增加;另一种方法是适当牺牲屏体显示效率以求得帧频与速率的折中，这种方法经实践验证是可行的。
设计中考虑到帧频与LED屏体显示效率的折中，采用λ=l，td=h/16，即存储器读出速率等于数据输人速率，显示基本时间单位为1/16倍行周期。灰度扫描通过对灰度数据按位分时显示的方法实现，即计算机屏幕图像以每像素24bit输出(红、绿、蓝各8bit)时，通过给每种颜色sbit字节的不同位分配不同的显示时间达到灰度显示的目的。比如，最低位(第8位)对应1/16行显示时间，第7位对应1/8行显示时间，…，第2位对应4行显示时间，最高位对应8行显示时间。屏体数据更新时间以行周期为单位，最低位对应更新时间为1行时间，其中显示1/l6行时间，其余15/16行时间里，由控制电路产生消隐信号进行消隐，其余位类同。  
2、LED扫描控制芯片
通过数据比较之后，本论文采用了恒流源驱动方式[4]，设计了一款可以实现从白到黑的256级灰度显示的控制单元。该显示控制芯片具有与时钟同步的8位并行输入端口，内含16个8位的移位寄存器和16个8位的数据锁存器，可以对8位并行数据进行移位并锁存。图2为该扫描和显示控制芯片的电路图。

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当电路开始工作时，8位并行数据在移位时钟脉冲的作用下打入芯片的移位寄存器模块中，其内部含有16个移位寄存器, 故移位16 次后,数据将从该芯片的DOUT0～DOUT7 输出到下一芯片；同时将移位所得的16个8位数据输入到锁存器中锁存。这时只要输出控制信号为低，并给出同名行的行选通信号同时使输出开放，各列即可开始输出恒流，同时8位计数器开始对灰度级时钟进行计数，当计数值与该列所存储的灰度值相等时，该列的恒流输出结束，从而实现相应LED的显示时间控制，即占空比控制。若采用10个该显示控制单元级联驱动LED显示屏，则一直并行移位160 次就可完成第一行数据的传输。
运用VerilogHDL编写代码并用Modelsim仿真软件对该电路代码进行编译仿真，得出了如图3、图4所示得时序图。
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通过时序图我们可以看到在控制端：enable、rsel、bc_ena、latch等控制端的控制下，可以按照不同的需求来实现对不同灰度和亮度的实现。在灰度控制单元中，数据在经过了16个脉冲之后移位传输至输出端输出，并且实现了8列或者16列输出的可调；在亮度控制单元中，通过调整enable、bc_ena、latch的值实现了输出数据的可调，从而准确的实现了亮度的控制功能。
根据各部分同名行的全部传输时间等于该同名行的显示时间, 可以得到行周期和点(列)周期的值,即行周期=帧周期/扫描方式的行数,点周期=行周期/(每行点数×部分数)。若帧频为120Hz ,则帧周期为1/120s = 8.33ms，根据扫描方式为1/16可将80行分为5个16行,每行160 列,这样,行周期即为520.6μs；点周期为650.75ns；点频为1.54×106Hz。
 
四、结论
本文讨论了LED大屏幕视频控制器中的灰度扫描方法，本文提出了256灰度级扫描时的实现方案，作者的创新点在于并设计了一款从暗到亮的256级灰度显示的LED显示控制芯片，在本设计中帧频可达120Hz ,行周期为520.6μs，点周期为650.75ns；点频为1.54×106Hz。该芯片可以通过多块级联来驱动LED大屏幕，有着较好的应用前景。