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LED全彩屏數字視頻信號處理電路的設計

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LED全彩屏數字視頻信號處理電路的設計

發布日期:2017-03-17 作者: 點擊:


1 引 言

LED全彩屏由於亮度高、視角廣、壽命長、性價比高,而且具有可與計算機同步顯示各種文字、圖形、圖像,可實時播放電視、錄像、影碟等視頻信號,可即時輸入、編輯各種多媒體數據等優點,使其在街頭、廣場、商業中心、運動場所、***所、控製中心許多公共場合得到了廣泛的應用。但是由於技術的問題,特大視頻顯示屏還麵臨著嚴峻的挑戰,主要表現在灰度級低,亮度損失嚴重,刷新速度低。另外,本文的視頻信號源來自DVI(Digital Video Interface)接口,DVI接口輸出的為數字視頻信號,信息量大,一般是先經過外部RAM(Random Array Memory)緩存,然後由處理器對視頻信號進行處理。可用於數字圖像存儲的外部存儲器有很多種,如SRAM,DRAM和SDRAM,它們的容量和速度各不相同。DRAM和SDRAM屬於動態存儲器,容量大,使用中需要刷新,當處理器沒有外部動態RAM接口時,就需要設計刷新電路,這給係統應用帶來不便;SRAM不用刷新,不需要專用接口,實時性好,並且可以進行跳地址尋址,所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲器。采用分場分區存儲技術,使刷新頻率大為提高,圖像顯示效果清晰穩定,實現了分辨率800×256,刷新頻率90 Hz,紅綠藍三色256×256×256灰度級的視頻顯示係統。同時,采用該技術,亮度和灰度級方便可調,亮度損失小。

2 係統組成

LED視頻顯示係統總體框圖如圖1所示:該係統由發送和接收兩部分組成,發送部分的功能主要是對DVI接口傳輸的視頻信號進行編解碼形成24 b真彩色視頻數據和點時鍾(CLK),行同步信號(HS),場同步信號(VS),數據有效信號(DE)等控製信號,通過LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸到接收卡上,經過接收卡的數據處理傳送給具有特定驅動結構(1/8掃描方式,74HC595驅動芯片)韻LED大屏。本文的重點是介紹接收卡的數據處理模塊。

3 數據處理

數據處理流程如圖2所示:接收卡接收發送卡傳輸過來的視頻信號(控製信號和數據信號),將視頻信號中的數據經過位麵分離,分場存入外部緩存,然後分區讀出,傳送給顯示驅動屏。其中位麵分離模塊將不同數據的同權位重新組合成新的數據存儲在存儲器中。外部緩存采用兩個SRAM乒乓緩存的技術,實現數據的流水線處理。下麵分別介紹位麵分離模塊和分場分區存儲的原理和實現。

3.1 位麵分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級控製方式為分場疊加與占空比相結合的方式,如表1所示:其中分場疊加是指用不同場次的恒頻掃描來實現不同灰度級,如表1的D7~D4;占空比控製是指控製點亮時間與關斷時間的占空比來實現灰度的調節,如表1的D3~D0。而這兩種方式的前提都是要實現視頻數據的位麵分離。位麵分離用FPGA來實現,一共包括兩大模塊,數據移位寄存器和數據選擇器。用VHDL實現的原理框圖如圖3所示,其中r0-7,g0-7,b0-7分別是真彩色圖像數據的紅綠藍三色,分別占用一個字節。把這24位數據線分別通過一個8位寬數據移位寄存器寄存,然後通過一個顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過控製緩存器的地址實現位麵分離,外部緩存的數據寬度為24位,使RGB三種顏色並行進行位麵分離。其中移位寄存器使用了流水線的技術,在鎖存輸出前8個數據的同權位的同時,移進第9個數據的同權位,這樣提高了數據處理的效率。

3.2 分場分區存儲

數據經過位麵分離以後,不同數據的同權位組成了新的數據,通過控製存儲器的地址使一幀所有數據的同權位寫在存儲器的同一段中,因此對寫地址發生器要求比較高。該係統要求256級灰度,那麽將存儲器分成8個段,每個段存儲代表同一個權值的位(場)。其中,8個段用3(23)根地址線來代替,分辨率為800*256的大屏有256行,800列,那麽行地址用8(28)根地址線表示,這8根地址線前5位為區地址(32區),後3位為一個區的行地址(1/8掃描)。列地址用7(27)根地址線來表示,因為存儲器為24位寬,一個存儲單元代表LED顯示屏8個RGB點的同權位,其優先級從高到底的順序為:場地址>列地址>行地址。分別用計數器來實現,這三個計數器級聯就構成了存儲器的寫地址,其連接方式為:場地址(A17~A15),區地址(A14~A10),區內行地址(A9~A7),列地址(A6~A0)。由此可見,通過改變存儲器地址線的優先級可實現分場(8場)存儲。

數據分8場寫入存儲器,讀出時要求分19場讀出,並且要控製每一場的顯示時間。所以在產生讀地址的場地址計數器的時候,先設計一個19進製的計數器counter19(0~18)。表2為counter19和場地址計數器的關係:每一場的顯示時間是用比較器來實現的,可以通過改變比較器中的值靈活地校正灰度和亮度。

LED顯示屏要求32區同時點亮,采用數據的並行處理,降低硬件消耗和係統工作頻率。提高刷新頻率。由於存儲器每次隻能讀出一個數據,所以必須采用分區鎖存,然後把32區數據並行輸出。

行地址和列地址同寫地址發生器原理相同,這裏主要介紹一下它們的優先級。數據已經是位麵分離的,所以要想實現32區數據同時顯示,那麽區地址的優先級應為最高,其次是列地址,然後是行地址,最後是場地址。與存儲器連接方式同寫地址一樣。

4 仿真波形

位麵分離模塊的仿真波形如圖4所示:其中RGBdin[23..16]為輸入數據的高八位,rgb_regroup_output[23..16]為輸出數據的高八位。flag為輸入數據有效信號標誌,flag_delay85為輸出有效信號的標誌。

波形分析如下:

輸入數據前8個數據的前麵7個都為00h,第8個為02h,這8個數據進行位麵分離後輸出見表3,由表3可以看出位麵分離實現了前8個數據轉置後從右往左讀出。

為寫地址的仿真波形,可以看出,場地址優先級最高,當場地址為7h時,列地址加1,當列地址為63h時,行地址加1,當行地址為7h時,區地址加1。同理可以看出圖6讀地址的進位順序為:區地址為1Fh時,列地址加1,列地址為63h時,行地址加1,行地址為7h時,場地址按19場原理進行計數。中行地址為7h時,場地址並沒有加1。為場地址計數器控製的占空比信號。該信號接顯示屏驅動板行打描信號的使能端,通過控製掃描信號控製顯示時間,從而實現灰度級。

5 結 語

針對LED視頻顯示屏的係統遇到的刷新速度和灰度控製問題,本文提出了一種分場分區存儲技術,詳細地介紹了其原理和實現。通過波形仿真和工程應用,該方法很好地解決了LED顯示控製係統中圖像閃爍,亮度損失大的問題,並且其灰度和亮度控製可以靈活校正。

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