基于FPGA的8位并行输入LED扫描控制芯片设计

一、介绍
LED(light emitting diode)显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管(LED)是一种电流控制器件,具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点, 能胜任各种场合实时性、多样性、动态性的信息发布任务, 因此得到了广泛的应用。LED大屏幕是通过一定的控制方式, 用于显示文字、图像、行情等各种信息以及电视、录像信号, 并由LED器件阵列组成的显示屏幕.LED大屏幕作为现代信息发布的重要媒体, 正受到社会各界尤其是商业界、广告界的极大重视，被广泛应用于工业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、模拟军事演习、电子景观等领域[1]。
本论文介绍了一种8位并行输入LED显示驱动芯片，在大屏幕LED显示系统中实现了从白到黑的多色彩的256级灰度显示[2]，画面稳定清晰，取得了良好的视觉效果。
二、大屏幕LED的系统构成
考虑到LED电气特性以及机械安装等实际应用的要求，无论是室内LED电子显示系统或是室外LED电子显示屏，在结构上都采用了标准单元块的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32个显示象素灯管构成一个单元块。每一个单元块形成自身独立的电子扫描功能、控制功能、存储功能，并以此构成一个独立的子系统；然后，再由各个标准源以及通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕
电子显示系统[2]，外加一定的计算机控制部件、带有数字化分量输出的多媒体卡或DVI卡及电源记忆通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕电子显示系统。该系统的结构框图如图1所示。

其中的核心部分是LED扫描控制芯片，这个也是本文所要讨论的重点。该芯片为8位并行输入的LED显示驱动结构，可驱动16×8的LED屏体，应用在LED大屏幕上可以通过多片级联来实现LED大屏幕的显示。

三、LED扫描方法和控制芯片的研究
1、灰度扫描方法的研究
对高灰度级LED大屏幕显示而言，灰度的分层(灰度扫描)方法是视频控制器设计的关键，由于LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间近似成正比，所以灰度等级的实现通常是由控制LED的发光时间与扫描周期的比值，即采用调制占空比来实现的。
(l)灰度扫描约束公式
设显示灰度等级数为N，由于灰度级为1的像素在屏体的对应点亮时间为td，因而灰度线性调制后灰度级为i的数据显示时间为itd，灰度级最高的数据显示时间为(N一l)×td。通常的考虑[3]是在td内完成对存储器一行数据的一次读出，同时以td为周期将读出的一行数据打人到屏体进行灰度显示。由于共有N个灰度级数，帧扫描周期为: T=n× td ×m (l)；
屏体显示效率:η=(N一l)× td × m/T=(N一l)/N (2)；
设视频数据输人速率为VI，存储器读出速率为Vo，由于必须在td内完成存储单元内一行数据的一次读出，故有Vo/Vi >=h/(td ×n) (3)；
设λ为存储器读出与输人速率的比值，即λ＝Vo/Vi，将(l)式代人(3)式中，有
λ>=h×N×m/(T×n) (4)；
为保证图像的稳定显示，扫描帧频必须足够高，设F>=F0(即T=T0，T0=1/F0)，F0为人眼可接受的扫描帧频(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)即为灰度扫描约束公式。
(2)256灰度级全屏扫描
对于256灰度级全屏扫描，高的灰度级数、高扫描帧频与低的存储器读出速率是相互矛盾的。要获得高的灰度级数，就必须提高存储器读出速率，或者降低帧扫描频率，当灰度级数较高时，以目前的集成电路实现水平难以达到三者的兼顾。解决的方法之一是大量采用并行结构，但扫描频率每减小一倍成本就增加将近一倍，而且电路的复杂程度也有所增加;另一种方法是适当牺牲屏体显示效率以求得帧频与速率的折中，这种方法经实践验证是可行的。