低帧频，无闪烁LED全彩屏的逻辑设计

低帧频，无闪烁LED全彩屏的逻辑设计

摘 要: 本文提出了一种独特的设计技术，把LED管的驱动脉宽转换成多个固定窄脉冲,并把其分散在一帧时间内。讨论了基于此方法的LED灰级控制 的逻辑设计，并介绍了如何在CPLD上实现该逻辑，使LED屏在低灰度级时无需增加刷新率，高灰度级时显示画面更加稳定，实现动态无闪烁的图像。

关键词: EDA； CPLD；LED显示屏； 灰度控制； 脉宽分解

引言

由于LED本身不具有余辉效应的特性，所以采用传统的恒流源脉冲调宽控制灰度的LED屏的刷新率必须大于120Hz才能实现无闪烁的图像显示。这样就需要 对灰度数据较低的输入帧频的图像信号进行增频刷新。其结果造成刷新数据出现了极大冗余度，并增加了LED驱动板的硬件开销。本文提出了一种全新的脉冲打散 的方法，大大减少了刷新冗余，降低了硬件开销，免除了闪烁，相应增加了伽马校正的比特数，提高了图像质量。实现了30Hz帧频连续图像的无闪烁显示，并把 每点每色的8bit数据扩展到13bit,实现256灰度级，达到更逼真的显示效果。脉冲分散控制逻辑设计，灰级控制逻辑在CPLD上实现。采用新方案的 系统控制逻辑硬件在6B595驱动的全彩屏上得到验证。

图1 LED控制系统框图

系统结构见图1。

系统接收计算机显示卡送来帧频为f的数字图像信号，经传输到达屏体。子屏控制器采用级联方式，接收属于自己的显示数据包。在统一的时序控制下，每个子屏控制器控制32×64个像素，独立的完成扫描显示工作，各个单元的扫描同步完成，不会影响显示速度和质量。

图2 子屏控制器框图

子屏控制逻辑设计

根据实现功能的需要，每个子屏控制器被分为五个模块：读入发送数据(read_send)、伽马矫正(gamma)、数据重组(dataprocess)、读写SRAM(rwsram)、脉冲打散输出(scatter)。如图2子屏控制器框图所示。

读入发送数据(read_send)

子屏控制器是LED大屏幕显示的重要组成部分，它的主要功能是接收上一级子屏控制器或行控制器传来的数据，将其转换成具有灰度信息的数据，按照要求传送给下一级595驱动电路。

由于视频数据量很大，按照RGB三种颜色数据依次输入，对于后面的数据处理部分需要的缓存器比较多，使得现有的硬件资源无法实现，因此决定将三个数据缓存部分缩减到一个RGB，三种颜色共用一个缓存器，这样就可以使缓存部分的寄存器使用数量减少三分之二。

伽马矫正(gamma)

伽马校正是子屏控制器中重要的部分，直接影响整个显示图象的色彩质量。本节中只考虑gamma校正的实现，gamma校正的方法原理及具体数值在本文中不详细说明。

单色伽马表大小为256*13=3328bit，因此三种颜色的伽马表需要9948bit存储，利用FPGA内部的EAB单元实现而不用外部sram实 现，这样查表的速度非常快，同时节约硬件，简化逻辑设计。将EAB分成RGB三个单元，每个单元内置伽马曲线表，每输入一个8bit灰级数据，立即查表输 出13bit经过伽马矫正的灰级数据。如图3 gamma校正示意图所示。

gammar ：伽马转换后的13bit红色灰级数据。

gammag ：伽马转换后的13bit绿色灰级数据。

gammab ：伽马转换后的13bit蓝色灰级数据。

数据重组(dataprocess)

由于受到后端数据处理速度的限制，必须在前端对数据就进行处理，使得数据方便后端打散的使用，因此伽马矫正输出的13bit数据并不马上送到外部sram 中去，先缓存到暂存寄存器中。当寄存器组存满16个数据后(即16条链同一位置的点一种颜色的灰度值)，取每个数据的第i位组合成新的数据，转存到另一个 寄存器组中，最后按顺序存到外部sram中。由于三种颜色RGB是分时输入，因此可以共用一组寄存器，节约硬件资源。如图4所示。

脉冲打散输出(scatter)

脉冲打散输出子模块分为G信号脉宽调制和现实脉冲打散两部分。

1) G信号脉宽调制

G信号是led点亮使能脉冲，在G信号为有效电平期间，锁存的脉冲数据才可以驱动led显示。因此可以通过控制G信号的宽度，来细调led的发光亮度。

所谓脉宽调制，是采用计数的方式，设置计数初值。开始计数后，在计数期间内，G信号为有效电平；否则，为无效电平。通过设置不同的计数初值，产生不同宽度的G信号脉冲。

2) 脉冲打散

这里只讨论全彩屏设计中关于数字信号由CPLD传入595以及由595控制LED发光阵列的过程。

现以4比特灰度举列说明，一般的显示方法如图5所示，定为方案一：

方案一在显示高位比特时，是采用集中显示，如果将其均匀分配，则有更好的视觉效果，如果屏幕的闪烁与高位比特有关的话，采用此方法将明显降低闪烁。改进方案二的显示如图6所示。

方案二存在的问题是，由于帧频率为30Hz，低比特(13位灰级时b3-b0位)在一行显示过程中没有足够的重复点亮次数(只点亮了一次或两次)，如果要达到120Hz的显示效果，则至少需要重复点亮四次。

为了解决低灰级可能闪烁的问题，将b3-b0特殊控制，和b4一样重复显示4次。同时用G信号控制显示的宽度，这样既可以达到最低120Hz的显示频率，又可以不增加低灰级的显示亮度。如图7显示方案三所示。

由于是完全均匀的打散方式，因此可以各位输出的时刻是有规律的。对于13bit灰级数据按照以下规律：

b12: n=2*a+1 a=0,1,2,3,......,1023

b11: n=4*b+2 b=0,1,2,3,......,511

b10: n=8*c+4 c=0,1,2,3,......,255

b9 : n=16*d+8 d=0,1,2,3,......,127

b8 : n=32*e+16 e=0,1,2,3,......,63

b7 : n=64*f+32 f=0,1,2,3,......,31

b6 : n=128*g+64 g=0,1,2,3,......,15

b5 : n=256*h+128 h=0,1,2,3,4,5,6,7

b4 : n=512*i+256 i=0,1,2,3

b3 : n= 512*j+0 j=0,1,2,3

b2/b1/b0: 强行均匀插入到显示中去。

● 注释1：n为输出的时刻，每个时刻表示脉冲信号的输出时间间隔。

● 注释2：b2/b1/b0强行均匀的插入到显示序列中去，每一位需要显示4次。

数字逻辑实现的方法：

方法一，用查表的方法。表的大小是2048*4bits。

方法二，用组合电路+状态机。

定义9位计数器Cnt[8..0]为状态变量。

b12: n=2*a+1 a=0,1,2,3,......,1023; Cnt[0]=1;

b11: n=4*b+2 b=0,1,2,3,......,511; Cnt[1:0]=10;

b10: n=8*c+4 c=0,1,2,3,......,255; Cnt[2:0]=100;

b9: n=16*d+8 d=0,1,2,3,......,127; Cnt[3:0]=1000;

b8: n=32*e+16 e=0,1,2,3,......,63; Cnt[4:0]=10000;

b7: n=64*f+32 f=0,1,2,3,......,31; Cnt[5:0]=100000;

b6: n=128*g+64 g=0,1,2,3,......,15; Cnt[6:0]=1000000;

b5: n=256*h+128 h=0,1,2,3,4,5,6,7; Cnt[7:0]=10000000;

b4: n=512*i+256 i=0,1,2,3; Cnt[8:0]=100000000;

b3-0: n=512*j+0 j=0,1,2,3; Cnt[8:0]=000000000;

实际程序中我们使用了9位的计数器cnt[8:0]为状态机变量，当计数器Cnt[8:0]=000000000时，暂时停止计数，插入低灰级亮度，输出 低灰级亮度地址。用一个四个状态的小状态机low[3:0]来实现，当低灰级显示完毕，cnt继续计数，进入下一个状态。

结语

从显示卡获得的像素数据变化频率与帧频率相同，比较低。如果只靠像素数据控制脉冲宽度来驱动LED大屏幕，由于频率低，再加上LED本身不具有余辉效应， 图象就会产生明显的闪烁现象。而且灰度层次也无法提高。本文提出了一种独特的脉冲打散的方法，把表示像素灰度级的数据转换为在一帧的时间内均匀分散的个数 不等的定宽窄脉冲，其脉冲个数与灰度数据直接关联，相当于延长了余辉效应。 因而有效地消除了闪烁现象，同时可获得很高的显示灰度层次，结合反伽马校正， 实现整个LED显示屏灰度和亮度的调整，使显示屏达到了良好的显示效果。该显示方法的控制逻辑已经在可编程器件上实现。样机试验结果表明，该方案是切实可 行的，显示效果有明显改进。

■北京航空航天大学

参考文献：

1. 夏宇闻，‘复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术’，北京航空航天大学出版社，1998。

2. 诸昌钤，‘LED显示屏系统原理及工程技术’，电子科技大学出版社，2000.