基于FPGA的8位并行輸入LED掃描控制芯片設計

一、介紹
LED(light emitting diode)顯示屏由發光二極管陣列構成。發光二極管(LED)是一種電流控制器件,具有亮度高、體積小、單色性好、響應速度快、驅動簡單、壽命長等優點, 能勝任各種場合實時性、多樣性、動態性的信息發布任務, 因此得到了廣泛的應用。LED大屏幕是通過一定的控制方式, 用于顯示文字、圖像、行情等各種信息以及電視、錄像信號, 并由LED器件陣列組成的顯示屏幕.LED大屏幕作為現代信息發布的重要媒體, 正受到社會各界尤其是商業界、廣告界的極大重視，被廣泛應用于工業、交通、商業、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習、電子景觀等領域[1]。
本論文介紹了一種8位并行輸入LED顯示驅動芯片，在大屏幕LED顯示系統中實現了從白到黑的多色彩的256級灰度顯示[2]，畫面穩定清晰，取得了良好的視覺效果。
二、大屏幕LED的系統構成
考慮到LED電氣特性以及機械安裝等實際應用的要求，無論是室內LED電子顯示系統或是室外LED電子顯示屏，在結構上都采用了標準單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32個顯示象素燈管構成一個單元塊。每一個單元塊形成自身獨立的電子掃描功能、控制功能、存儲功能，并以此構成一個獨立的子系統；然后，再由各個標準源以及通訊驅動部件后就構成了全點陣LED大屏幕
電子顯示系統[2]，外加一定的計算機控制部件、帶有數字化分量輸出的多媒體卡或DVI卡及電源記憶通訊驅動部件后就構成了全點陣LED大屏幕電子顯示系統。該系統的結構框圖如圖1所示。

其中的核心部分是LED掃描控制芯片，這個也是本文所要討論的重點。該芯片為8位并行輸入的LED顯示驅動結構，可驅動16×8的LED屏體，應用在LED大屏幕上可以通過多片級聯來實現LED大屏幕的顯示。

三、LED掃描方法和控制芯片的研究
1、灰度掃描方法的研究
對高灰度級LED大屏幕顯示而言，灰度的分層(灰度掃描)方法是視頻控制器設計的關鍵，由于LED的發光亮度與掃描周期內的發光時間近似成正比，所以灰度等級的實現通常是由控制LED的發光時間與掃描周期的比值，即采用調制占空比來實現的。
(l)灰度掃描約束公式
設顯示灰度等級數為N，由于灰度級為1的像素在屏體的對應點亮時間為td，因而灰度線性調制后灰度級為i的數據顯示時間為itd，灰度級最高的數據顯示時間為(N一l)×td。通常的考慮[3]是在td內完成對存儲器一行數據的一次讀出，同時以td為周期將讀出的一行數據打人到屏體進行灰度顯示。由于共有N個灰度級數，幀掃描周期為: T=n× td ×m (l)；
屏體顯示效率:η=(N一l)× td × m/T=(N一l)/N (2)；
設視頻數據輸人速率為VI，存儲器讀出速率為Vo，由于必須在td內完成存儲單元內一行數據的一次讀出，故有Vo/Vi >=h/(td ×n) (3)；
設λ為存儲器讀出與輸人速率的比值，即λ＝Vo/Vi，將(l)式代人(3)式中，有
λ>=h×N×m/(T×n) (4)；
為保證圖像的穩定顯示，掃描幀頻必須足夠高，設F>=F0(即T=T0，T0=1/F0)，F0為人眼可接受的掃描幀頻(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)即為灰度掃描約束公式。
(2)256灰度級全屏掃描
對于256灰度級全屏掃描，高的灰度級數、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當灰度級數較高時，以目前的集成電路實現水平難以達到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結構，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復雜程度也有所增加;另一種方法是適當犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中，這種方法經實踐驗證是可行的。