256 级灰度LED 点阵屏显示原理及基于FPGA 的电路设计摘要：本文.PDF

256 级灰度LED 点阵屏显示原理及基于FPGA 的电路设计 摘 要：本文提出了一种LED 点阵屏实现256 级灰度显示的新方法。详细分析了其工作原理。并依据其原理，设计出了基 于FPGA 的控制电路。 关键词：256 级灰度；LED 点阵屏；FPGA ；电路设计 引言 256 级灰度LED 点阵屏在很多领域越来越显示出其广阔的应用前景，本文提出一种新的控制方式，即逐位分时控制方式。 随着大规模可编程逻辑器件的出现，由 纯硬件完成的高速、复杂控制成为可能。逐位分时点亮工作原理所谓逐位分时点亮， 即从一个字节数据中依次提取出一位数据，分8 次点亮对应的像素，每一位对应 的每一次点亮时间与关断时间的占空比不 同。如果点亮时间从低位到高位依次递增，则合成的点亮时间将会有256 种组合。定义点亮时间加上关断时间为一个时间 单位，设为T 。表1 列出了每一位的点亮与关断的时间分配。如果定义数据位“1”有效(点亮)，“0”无效(熄灭)，则表2 列出 了数据从00H 到FFH 时的不同点亮时间。由表2 可知：数据每增1，点亮时间增加T/128 。根据点 亮时间与亮度基本为 线性关系的原理，从0~255T/128 的点亮时间则对应256 级亮度。当然，这个亮度是时间上的累加效果。如果把一个LED 点阵屏所 有像素对应的同一数据位点亮一遍称为一场的话，那么8 位数据共需8 场显示完，称为“8 场原理” 。理论上讲， 8 场即可显示出256 级灰度，然而通过表2 可看 出，即使数据为FFH 时，在8T 时间内也只是点亮了255T/128 时间。关 断时间可接近6T，点亮时间仅为总时间的约25%，因此，8 场原理虽也能实现 256 级灰度显示，但亮度损失太大。为了 提高亮度，可采用“19 场原理”，即8 位数据分19 场显示完，其中D7 位数据连续显示8 场，D6 位连续显示4 场， 依次递 减。表3 列出了各位的点亮与关断时间。由表3 可推导出数据从00H~FFH 范围的总点亮时间，如表4 所 示。在19T 时间内，最大点亮时间可达近16T， 占总时间的84.21%，远大于“8 场原理”的25% 。数据每增1，点亮时间增 加了T/16 ，该值大于“8 场原理”的T/128 。所以 ，“19 场原理”较“ ８场原理”的对比度更明显，图像层次分明、表现力强。 电路设计 256 级灰度LED 点阵屏通常要具有能远程同步实时显示计算机视频信号的功能，涉及到的电路包括：数字视频信号的采集、 数字信号的格式转换及非线性校正、 远程传输及接收、灰度显示控制电路、LED 点阵显示电路等。 本文重点讨论“灰度 显示控制电路”的设计，控制对象以红、绿双基色LED 点阵屏、1/16 扫描显示电路为例。FPGA 内部电路如图1 所示。因 为被控对象为 1/16 扫描显示电路，所以显示屏每16 行只需要一路数据信号即可。DRout1、 DGout1 即为第一个16 行的 红、绿基色输出信号；DRout2、DGout2 为第2 个16 行的红、绿基色输出信号。以此类推。Ha、Hb、Hc、Hd 的二进制 编码，定义当前的数据输出应是16 行中的哪一行。CP 信号为数据串行输出的同步移位脉冲。LE 信号为一行串行数据输出 结束后的锁存脉冲, LE 每有效一次，Ha、Hb、Hc、Hd 二进制编码状态增1。EA 为灰度控制信号，其宽度为在一个时间 单位T 内LED 的点亮时间。当然, 不同的数据位其宽度不同, 具体由表3 决定。一个时间单位T 即一行串行数据的传输时 间，也即LE 信号的周期，其大小取决于屏宽的像素点数量和CP 信号的频率。DRin1~8 和DGin1~8 为红、绿数据输入 信号，分别对应第1 个16 行点阵区到第8 个16 行点阵区。Cpin 为同步脉冲，一个脉冲对应一位数据，8 个脉冲对应一个 像素点的8 位数据 输入。H 信号为行同步脉冲，一行数据输入结束，H 信号有效一次。V 为帧同步脉冲，一帧(16 行)数据 输入结束，V 信号有效一次。上述信号均为前级系统提供的信号。FPGA 外部接有两组高速静态 RAM( 图中未画出) ， DRA1~8、DGA1~8 为A 组R A M 的红、绿数据线，DRB1~8、DGB1~8 为B 组RAM 的红、绿数据线；/WRA 、/RDA 为A 组的读、写控制信号，/WRB 、/RDB 为B 组的读、写控制信号；AA0~16 为A 组的地址线，AB0~