基于FPGA的LED大屏幕控制系统的设计与实现

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。这些特点使得LED显示屏被广泛应用于工业、交通、商业广告、信息发布、体育比赛等各个领域。
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(最高支持SXGA)，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（双端口千兆物理层芯片）。

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。