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基于FPGA控制的动态背光源设计方案

时间:06-05 来源:互联网 点击:

引言

当代LCD 显示大部分采用的是冷阴极射线荧光灯(CCFL)背光或LED 静态背光,由于CCFL 亮度不易控制并且响应速度慢,造成能源浪费和动态模糊。LED 静态背光效果虽好,但是其耗能也较为严重,另外恒定亮度的背光使得图像的对比度下降,显示效果不理想。对图像RGB 像素进行分析,在某些区域适当地采用低一级亮度的LED 背光,不仅可以节能,而且会扩大图像显示的对比度,消除动态模糊现象。

  1 设计方案及其原理

动态背光源表面上是个整体,其实内部在制作原理图时已经将之分成多个区域,分别控制其各自的亮度。可知背光灯的密集度越高,划分的区域越多、面积越小,显示出来的整体效果会越好。但是从成本、经济价值、制作工艺、节能等方面综合考虑,可知灯的数目不可能无限多,划分的区域也不会无限密集,但是总可以找到一个最合适的设计规格。

RGB 色彩模型是工业界的一种颜色标准,通过RGB 模型为图像中每一个像素的RGB 分量分配一个0~255 范围内的强度值。RGB 图像只使用三种颜色,按照不同的比例混合, 理论上在屏幕上呈现16,777,216 种颜色。在本系统只有RGB 各个分量不能直接得到我们需要的亮度控制参数Ki,需要经过FPGA运算得到图像各个像素的灰度值,然后再计算。

对图像进行灰度计算的基本思想是将每个像素的RGB 三种颜色成份的值取平均,然而由于人眼的敏感性,这种做法效果并不好,应该是每个分量需有一定的权重,计算公式如下所示。

(1)为灰度计算公式,可直接由RGB 各个分量计算得到像素的灰度值,当然可以整体的放大或缩小,即乘以一个共同的系数。

(2)为由像素灰度求亮度公式,其中Tmax 为最大透过率,在同一个系统中为一固定值,可不予关注,γ 为RGB 像素矫正因子,B 为背光源亮度值。

当背光源的亮度变为原来的1/λ即B' 时,为了使人眼观察灰度C' 像素的亮度不发生大的变化,应使两次得到的值一致,即:

令:

解方程可以求得:

一般情况下,灰度的调节由8bit 数据控制,即可以将灰度值由0~255,分成256 份,其中每一份代表一个灰度级别(本实验中所使用驱动芯片的灰度级别为4,096)。所以可以令控光参数Ki:

其中Cmax 为各个分割区域中的最大灰度值,Ci为各个相应区域的最大灰度值,计算得到的区域控光参数Ki 来调节FPGA 的输出,来调节背光板亮度,从而可以得到校正后各个像素的RGB 值分别为:

如方案图所示,最后将由控制器输出的行、场同步信号和校正后的RGB 信号等传输给LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有两个:一是在FPGA 处理不及时的情况下,用来存储从图形控制器传过来的行、场同步信息和RGB 数据信息等;二是存储FPGA 处理过的数据,单LCD 板未来得及处理的信息。这样设计的目的在于达到数据不丢失,信息传输更及时的效果。

2 驱动电路设计

在驱动芯片的选择上, 我们用TI 公司的TLC5947,每个通道由12bits PWM 脉宽调制,具有24 路输出通道,所以一个数据传递周期将会接收288bits 数据。芯片所需电压为3.0~5.5V,有温控系统,当芯片的温度过高时会自动断开,以保护芯片。

从芯片的引脚25 可以看出,此款芯片支持级联,可以多个芯片共同工作以驱动更大规模的显示屏幕。从引脚1 到引脚24,每个输出通道由12bit输入数据来控制,其内部含有4MHz 的晶振,输入数据与212 即4,096 的比值即为输出脉冲的占空比,从而实现对背光源相应区域的PWM 调制。从中可知,TLC5947 将灰度分为4,096 级,我们可以大尺度、精密地细分背光源的亮度,以达到更好动态背光效果。

图2 TLC5947 引脚注释

驱动电路中的电阻由所驱动LED 灯的电流决定,具体详情可以参考TLC5947 配置表格(如表1所示)。芯片对输入的SCLK、XLAT、BLANK 等信号有严格的时序要求,电源与地之间的电容主要起到一个滤波作用,尽量值选大些。

表1 配置电阻与驱动电流的关系

图3 背光源驱动电路

3 软件设计

本款芯片的控制信号由Altera 公司的型号为EP1C3T144C8 的开发板供给,晶振为50MHz。

从实验得到的效果来看,该款芯片的数据传输机理为:每个传输周期,每遇SCLK 上升沿将会从SIN 口读入1bit 数据存入寄存器,在SCLK 下降沿时,将读入的数据从SOUT 传出(内部对数据仍有保留) 输给下一级,直至读入288bits 数据。每12bits 为一组,分别送到各自的通道,并且每组数据先读入的居于较高位,然后依次排列。例如,读取的数据按时间先后排列为1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0,则相应的控制信号为100000000000,那么控制通道的占空比即为:

根据PWM 调制面积相等的原则,有效电压约为提供电压的一半。

按照仿真条件的要求,SCLK 时钟信号需要在每接收完288bits 时有段时间的低电平,尽量满足芯片的时序要求。另外,控制信号BLANK 在每个周期空闲时(不传输数据时),需要有个高电平变换,这样可以将锁存器里面的数据清零,以便接受新一轮的控制数据,否则,灯的亮度明显会偏暗。

RGB 数据经过FPGA 的处理,转换为相应的灰度值,然后再计算出相应的控光参数Ki (我们可以分的灰度级别不超过4,096),传输给TLC5947的SIN,即可以实现动态背光调节。

图4 输入输出信号设置

图5 信号仿真图

图6 PWM 调制输出波形

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