LED大屏幕控制系统是怎样设计实现的

LED大屏幕简介

LED大屏幕：LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红、绿、蓝三色小灯组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示大屏幕。

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。该设备外观新颖独特，其面积可随意调整，不仅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。户外LED大屏幕是帆布广告、灯箱广告的理想替代产品，能为您带来巨大的社会效益和丰富的经济效益。

相比于液晶显示、投影显示等其他大屏幕显示技术，LED显示技术有其独特的优越性：高亮度、宽可视角度、丰富的色彩以及可定制的屏幕形状。

LED大屏幕控制系统是一个融合计算机控制技术、视频技术、光电子技术、通信技术的综合系统。当前主流的LED大屏幕控制系统多以FPGA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、颜色更鲜艳的方向发展。这些都给LED大屏幕控制系统提出了新的挑战。

本文基于Altera公司的低成本Cyclone II系列芯片EP2CQ208C设计了LED大屏幕控制系统，在传统的SDRAM缓存技术上，提出了优化的SDRAM乒乓式缓存技术并详细阐述了反γ校正、颜色调节、灰度级调节等在FPGA中的实现。本系统最终实现了最大1 280×1 024分辨率、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屏幕进行亮度、对比度、灰度级等参数的灵活调节，得到更加细腻的显示画面。

1 系统结构

本文所设计的LED大屏幕控制系统结构如图1所示，整个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，数据缓存选用了Samsung的K4S643232C，千兆以太网芯片选用了Realtek公司的RTL8212。

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，如果是控制接收卡，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，然后在读出数据时按照显示屏要求对数据块结构作一定调整后再由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。

本文主要讨论系统中的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机软件的反γ校正与灰度级变换；

（3）LED显示屏的亮度、对比度等颜色调节在FPGA中的实现。

2 SDRAM乒乓式缓存的优化

传统的基于SDRAM的乒乓式缓存方案都存在着数据读写操作复杂或者数据结构调整局限性大的缺点。结合现有方案的优点，本文提出了图2所示的SDRAM数据缓存方案。

本系统的发送卡设计目标是最大支持1 280×1 024分辨率、60 Hz刷新率的全彩数据发送，此时的像素频率为：

即本方案满足系统数据吞吐量的要求。由于两个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，从而节省数十个FPGA IO端口，这是本方案的一大优点。同时每块SDRAM中划分了两个区，用以存放连续的两帧图像，可以根据LED显示屏的具体要求，从SDRAM中读出显示数据，满足系统灵活性的要求。

3 反γ校正与灰度级调节

特定条件下创建的图像在不同环境下工作时，往往会出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进行灵活的反γ值调节。当前反γ校正多采用基于FPGA内部ROM的查找表技术。式（1）为反γ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，γ为校正系数。要在FPGA中实现指数运算需要消耗大量逻辑单元，对于低成本要求来说是不现实的。本文提出了如图3所示的基于FPGA片内RAM、片外EEPROM和PC机软件的反γ校正技术。

在FPGA中的具体实现为：首先使用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数据分离成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γ值时，通过PC机软件生成新的γ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。如果需要保存校正数据，初始化模块从RAM中读出数据写入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进行初始化，从RAM中读出配置数据时也只需要其中一个RAM中的值。

4 对比度、亮度调节在FPGA中的实现

（1）对比度调节

增强对比度实际上是增强原图各部分的反差，通过增加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，从而使细节部分更加清晰。假设输入灰度级为f（x，y），输出灰度级为g（x，y），则对比度增强的计算如式（6）所示。由式（6）可以看出，通过这种方法调节对比度后会压缩图像的灰度级，使变换后的图像丢失亮区和暗区的细节，所以此种方法不适合大范围调节。根据人眼对高亮度区域的灰度级变化不敏感，而对低灰度级区域灰度级变化十分敏感的视觉特点，本系统选择不压缩低灰度级区域。式中n为调节系数，最终当0《n《100时比较合适。

（2）亮度调节

本文在现有脉宽调制亮度调节技术上提出了改进的亮度调节方案。本系统选用120 MHz的时钟作为脉宽计数器的驱动时钟，所以可以产生至少9 ns宽的脉冲。根据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，则2 560个数据移入屏幕需要213 μs，在灰度级脉冲宽度时间小于213 μs时，就需要等待数据移入屏幕，而在灰度级脉冲宽度时间大于213 μs时，数据移位则需要等待脉冲宽度计数完成。调节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。采用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间由式（7）计算得出：

213 μs×9+294.912μs+0.589 824 ms+1.1796 48 ms

=3.981 384 ms （7）

本系统接收的视频源的刷新率为60 Hz，为了避免帧间图像撕裂的现象出现，LED显示屏的刷新率是视频源刷新率的整数倍。视频源的换帧时间为16.6 ms，LED显示可以在这个时间内读取同一帧数据进行屏幕刷新，根据上面的计算结果有 3.981 384×4《16.6 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乒乓式缓存方案既节省了FPGA的IO口，又提高了系统的灵活性。设计了一种基于FPGA的片内RAM和PC机软件的反γ校正与灰度级设置方案，同时设计了在FPGA中实现的图像对比度、亮度调节模块。本系统最大可驱动1 280×1 024分辨率LED屏幕，刷新率不低于240 Hz，且灰度级、反γ校正系数、亮度、对比度等均可通过PC机软件灵活调节。为了实现屏幕驱动面积、LED屏幕刷新率的灵活设置，今后的工作将深入讨论这几方面之间的关系以及各种设置在FPGA中的实现。

责任编辑：ct