基于CPLD的LED大屏幕视频控制系统

灰度扫描约束公式  

首先给出几个定义:行周期h指视频控制器输入1行数据的时间，即计算机输出视频行周期。显示基本时间单位td定义为灰度级为1的像素在屏体的对应点亮时间。帧扫描周期T定义为存储单元的存储器中1帧图像的读出时间，存储器中1帧图像对应2×8×16行1/n屏(n=l，2，3，…)输入视频图像。帧频F为帧扫描周期的倒数，为满足人眼的视觉要求，假定帧频不低于60Hz。屏体显示效率η定义为帧扫描周期内LED屏体全亮(即全屏数据皆为最高灰度级)时间与帧扫描周期的比值。全屏显示指视频控制器每个存储单元存储的数据列数为计算机屏幕全屏的有效显示列数，相对应的是半屏显示、l/3屏显示等等。  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i×td，灰度级最高的数据显示时间为(N-1)×td。通常的考虑是在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入到屏体进行灰度显示。由于共有N 级灰度级数，帧扫描周期为  

由以上分析可知，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η以求得帧频与速率的折中，这种方法经实践验证是可行的。  

仍然以td作为显示基本时间单位，以对存储单元1行数据的一次读出时间作为屏体数据更新时间(屏体数据打入周期)，引入“消隐时间”的概念:“消隐时间”指屏体正常工作时间里的无效显示时间。屏体数据更新时间可以大于显示基本时间单位，即在屏体数据更新低灰度级时存在“消隐时间”，它虽然使显示效率有所下降，但可以实现较低的扫描速率和较高的扫描帧频。举例来说，若屏体数据更新时间为h，而显示基本时间单位td为h/16，则灰度级为1的数据会引入 15/16行“消隐时间”，灰度级为2的数据会引入7/8行“消隐时间”…，灰度级为8的数据会引入1/2行“消隐时间”，而灰度级为16的数据则不会引入“消隐时间”，这样就能在不提高存储器读出速率(λ≤1)的情况下(而且可以降低存储器读出速率Vo=32.5MHz，h=31.7，λ=0.5)实现 256级灰度扫描。这时帧扫描周期为  

T=(1+1+1+1+1+2+4+8)×h×m=304h=9.64(ms) (11)

帧频为，F=1/T=103.6(Hz) (12)  

但这时LED大屏幕显示屏体的显示效率降低为  

η'=(1/16+1/8+1/4+1/2+1+2+4+8)×h×m/T=83.88% (13)  

也可以取显示基本时间单位td为h/32或h/8，经计算得256级灰度td与帧频F的关系如图2所示，td与LED屏体显示效率η的关系如图3所示。  

设计中考虑到帧频与LED屏体显示效率的折中，采用td=h/16，即存储器读出速率等于1/2数据输入速率，显示基本时间单位为1/16 倍行周期。灰度扫描通过对灰度数据按位分时显示的方法实现，即计算机屏幕图像以每像素24bit输出(红、绿、蓝各8bit)时，通过给每种颜色8bit 字节的不同位分配不同的显示时间达到灰度显示的目的。比如，最低位(第8位)对应1/16行显示时间，第7位对应1/8行显示时间，…，第2位对应4行显示时间，最高位对应8行显示时间。屏体数据更新时间以行周期为单位，最低位对应更新时间为1行时间，其中显示1/16行时间，其余15/16行时间里，由控制电路产生消隐信号进行消隐，其余位类同。

3.2 视频控制器单元设计  

根据上述256级灰度视频数据灰度扫描的原理设计了256级灰度视频控制器，原理(单个颜色通道)如图4所示。

按功能来分，设计的视频控制器单元可以分为四个部分:控制单元、存储器单元(SRAM)、数据缓冲器和接口单元。视频控制器单元的核心是存储器单元，计算机屏幕上每128行数据对应一个存储器单元，显示屏所要实时显示的内容(即计算机屏幕图像数据)都存放在存储器单元中。控制单元产生存储器单元的地址信号和分时选通控制信号及灰度扫描控制信号如扫描地址信号、消隐、移位、锁存脉冲等。数据缓冲器用于实现视频数据的读写(输出输入)缓冲。接口单元用于产生符合显示屏驱动电路接口格式的信号。当一个帧存储器进行数据写入时，另一个帧存储器进行数据扫描读出，这样两组存储器可以分别交替工作于视频数据高速扫描和高速写入两种方式，因而可以提高数据读写的速率和显示屏的帧频，播放出来的图像更加稳定。