由于LED本身不具有余輝效應(yīng)的特性，所以采用傳統(tǒng)的恒流源脈沖調(diào)寬控制灰度的LED屏的刷新率必須大于120Hz才能實現(xiàn)無閃爍的圖像顯示。這樣就需要 對灰度數(shù)據(jù)較低的輸入幀頻的圖像信號進行增頻刷新。其結(jié)果造成刷新數(shù)據(jù)出現(xiàn)了極大冗余度，并增加了LED驅(qū)動板的硬件開銷。本文提出了一種全新的脈沖打散 的方法，大大減少了刷新冗余，降低了硬件開銷，免除了閃爍，相應(yīng)增加了伽馬校正的比特數(shù)，提高了圖像質(zhì)量。實現(xiàn)了30Hz幀頻連續(xù)圖像的無閃爍顯示，并把 每點每色的8bit數(shù)據(jù)擴展到13bit,實現(xiàn)256灰度級，達到更逼真的顯示效果。脈沖分散控制邏輯設(shè)計，灰級控制邏輯在CPLD上實現(xiàn)。采用新方案的 系統(tǒng)控制邏輯硬件在6B595驅(qū)動的全彩屏上得到驗證。
圖1 LED控制系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。
系統(tǒng)接收計算機顯示卡送來幀頻為f的數(shù)字圖像信號，經(jīng)傳輸?shù)竭_屏體。子屏控制器采用級聯(lián)方式，接收屬于自己的顯示數(shù)據(jù)包。在統(tǒng)一的時序控制下，每個子屏控制器控制32×64個像素，獨立的完成掃描顯示工作，各個單元的掃描同步完成，不會影響顯示速度和質(zhì)量。
圖2 子屏控制器框圖
子屏控制邏輯設(shè)計
根據(jù)實現(xiàn)功能的需要，每個子屏控制器被分為五個模塊：讀入發(fā)送數(shù)據(jù)(read_send)、伽馬矯正(gamma)、數(shù)據(jù)重組(dataprocess)、讀寫SRAM(rwsram)、脈沖打散輸出(scatter)。如圖2子屏控制器框圖所示。
讀入發(fā)送數(shù)據(jù)(read_send)
子屏控制器是LED大屏幕顯示的重要組成部分，它的主要功能是接收上一級子屏控制器或行控制器傳來的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成具有灰度信息的數(shù)據(jù)，按照要求傳送給下一級595驅(qū)動電路。
由于視頻數(shù)據(jù)量很大，按照RGB三種顏色數(shù)據(jù)依次輸入，對于后面的數(shù)據(jù)處理部分需要的緩存器比較多，使得現(xiàn)有的硬件資源無法實現(xiàn)，因此決定將三個數(shù)據(jù)緩存部分縮減到一個RGB，三種顏色共用一個緩存器，這樣就可以使緩存部分的寄存器使用數(shù)量減少三分之二。
伽馬矯正(gamma)
伽馬校正是子屏控制器中重要的部分，直接影響整個顯示圖象的色彩質(zhì)量。本節(jié)中只考慮gamma校正的實現(xiàn)，gamma校正的方法原理及具體數(shù)值在本文中不詳細說明。
單色伽馬表大小為256*13=3328bit，因此三種顏色的伽馬表需要9948bit存儲，利用FPGA內(nèi)部的EAB單元實現(xiàn)而不用外部sram實 現(xiàn)，這樣查表的速度非?？?，同時節(jié)約硬件，簡化邏輯設(shè)計。將EAB分成RGB三個單元，每個單元內(nèi)置伽馬曲線表，每輸入一個8bit灰級數(shù)據(jù)，立即查表輸 出13bit經(jīng)過伽馬矯正的灰級數(shù)據(jù)。如圖3 gamma校正示意圖所示。
gammar ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit紅色灰級數(shù)據(jù)。
gammag ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit綠色灰級數(shù)據(jù)。
gammab ：伽馬轉(zhuǎn)換后的13bit藍色灰級數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)重組(dataprocess)
由于受到后端數(shù)據(jù)處理速度的限制，必須在前端對數(shù)據(jù)就進行處理，使得數(shù)據(jù)方便后端打散的使用，因此伽馬矯正輸出的13bit數(shù)據(jù)并不馬上送到外部sram 中去，先緩存到暫存寄存器中。當(dāng)寄存器組存滿16個數(shù)據(jù)后(即16條鏈同一位置的點一種顏色的灰度值)，取每個數(shù)據(jù)的第i位組合成新的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)存到另一個 寄存器組中，最后按順序存到外部sram中。由于三種顏色RGB是分時輸入，因此可以共用一組寄存器，節(jié)約硬件資源。如圖4所示。
脈沖打散輸出(scatter)
脈沖打散輸出子模塊分為G信號脈寬調(diào)制和現(xiàn)實脈沖打散兩部分。
1) G信號脈寬調(diào)制
G信號是led點亮使能脈沖，在G信號為有效電平期間，鎖存的脈沖數(shù)據(jù)才可以驅(qū)動led顯示。因此可以通過控制G信號的寬度，來細調(diào)led的發(fā)光亮度。
所謂脈寬調(diào)制，是采用計數(shù)的方式，設(shè)置計數(shù)初值。開始計數(shù)后，在計數(shù)期間內(nèi)，G信號為有效電平；否則，為無效電平。通過設(shè)置不同的計數(shù)初值，產(chǎn)生不同寬度的G信號脈沖。
2) 脈沖打散
這里只討論全彩屏設(shè)計中關(guān)于數(shù)字信號由CPLD傳入595以及由595控制LED發(fā)光陣列的過程。
現(xiàn)以4比特灰度舉列說明，一般的顯示方法如圖5所示，定為方案一：
方案一在顯示高位比特時，是采用集中顯示，如果將其均勻分配，則有更好的視覺效果，如果屏幕的閃爍與高位比特有關(guān)的話，采用此方法將明顯降低閃爍。改進方案二的顯示如圖6所示。
方案二存在的問題是，由于幀頻率為30Hz，低比特(13位灰級時b3-b0位)在一行顯示過程中沒有足夠的重復(fù)點亮次數(shù)(只點亮了一次或兩次)，如果要達到120Hz的顯示效果，則至少需要重復(fù)點亮四次。
為了解決低灰級可能閃爍的問題，將b3-b0特殊控制，和b4一樣重復(fù)顯示4次。同時用G信號控制顯示的寬度，這樣既可以達到最低120Hz的顯示頻率，又可以不增加低灰級的顯示亮度。如圖7顯示方案三所示。
由于是完全均勻的打散方式，因此可以各位輸出的時刻是有規(guī)律的。對于13bit灰級數(shù)據(jù)按照以下規(guī)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: 強行均勻插入到顯示中去。
● 注釋1：n為輸出的時刻，每個時刻表示脈沖信號的輸出時間間隔。
● 注釋2：b2/b1/b0強行均勻的插入到顯示序列中去，每一位需要顯示4次。
數(shù)字邏輯實現(xiàn)的方法：
方法一，用查表的方法。表的大小是2048*4bits。
方法二，用組合電路+狀態(tài)機。
定義9位計數(shù)器Cnt[8..0]為狀態(tài)變量。
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;
實際程序中我們使用了9位的計數(shù)器cnt[8:0]為狀態(tài)機變量，當(dāng)計數(shù)器Cnt[8:0]=000000000時，暫時停止計數(shù)，插入低灰級亮度，輸出 低灰級亮度地址。用一個四個狀態(tài)的小狀態(tài)機low[3:0]來實現(xiàn)，當(dāng)?shù)突壹夛@示完畢，cnt繼續(xù)計數(shù)，進入下一個狀態(tài)。
結(jié)語
從顯示卡獲得的像素數(shù)據(jù)變化頻率與幀頻率相同，比較低。如果只靠像素數(shù)據(jù)控制脈沖寬度來驅(qū)動LED大屏幕，由于頻率低，再加上LED本身不具有余輝效應(yīng)， 圖象就會產(chǎn)生明顯的閃爍現(xiàn)象。而且灰度層次也無法提高。本文提出了一種獨特的脈沖打散的方法，把表示像素灰度級的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為在一幀的時間內(nèi)均勻分散的個數(shù) 不等的定寬窄脈沖，其脈沖個數(shù)與灰度數(shù)據(jù)直接關(guān)聯(lián)，相當(dāng)于延長了余輝效應(yīng)。 因而有效地消除了閃爍現(xiàn)象，同時可獲得很高的顯示灰度層次，結(jié)合反伽馬校正， 實現(xiàn)整個LED顯示屏灰度和亮度的調(diào)整，使顯示屏達到了良好的顯示效果。該顯示方法的控制邏輯已經(jīng)在可編程器件上實現(xiàn)。樣機試驗結(jié)果表明，該方案是切實可 行的，顯示效果有明顯改進。
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