基于FPGA控制的动态背光源设计方案

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