基于FPGA的LED电视动态背光系统设计

本文设计一款基于FPGA(现场可编程门阵列)的液晶电视动态背光系统，采用LED侧背光方式，符合当前液晶电视LED背光应用主流。

　　电视动态背光

以往的电视机主板将图像信号通过LVDS(LowVoltageDifferentialSignal，低压差分信号传输)将图像信号传送至液晶面板，另外通过LED驱动控制背光，显示系统和背光系统相对独立。图像信号通过LVDS传送的时候，有两种格式，一种是JEIDA的标准，如图一所示;一种是VESA的标准，如图二所示。液晶面板的LVDS信号一般有四至五对，一对是时钟信号，三至四对为数据信号，数据信号和时钟信号速度为7:1。

液晶电视动态背光调节区分LED背光组件的整屏亮度PWM(脉宽调制)控制、LED背光组件的横向分区域亮度PWM控制、LED背光组件的纵向分区域亮度PWM控制、RGB分区域亮度控制和综合控制。要使液晶电视能达到分区域背光亮度PWM控制，相应地必须对动态的图像信号进行分析，通过插入的FPGA板计算出各个区域的图像亮度信息，然后根据区域统计的平均亮度信号，驱动LED控制芯片分别调节相应背光区域的背光亮度。FPGA板同时将图像信号传送至液晶面板,以达到背光与图像的同步，即实现了液晶电视动态背光调节功能。LED控制芯片必须具有多路输出且各路输出能独立调节的功能，这样芯片就能根据屏幕各区域图像画面的亮度信息，同时调节对应区域的背光亮度，在屏幕显示暗场景时，调低背光的亮度，进而减少能耗。背光调节效果例子如图三所示。

　　系统设计

本文设计的32寸液晶电视，选用LED侧背光方式，在电视面板上下各安装2个灯条，每个灯条4串LED，每串LED为10个LED灯，共用160个LED灯。4个灯条总共16串，分别对应着16个调光区域。

FPGA器件选用赛灵思公司(Xilinx，Inc.)Spartan6系列中的XC6SLX16器件。Spartan-6FPGA为赛灵思公司新推出有批量应用、最低成本的FPGA器件，采用45nm低功耗铜工艺，在成本，性能和功耗上能达到最好的平衡。内建系统级模块包括DSP逻辑片、高速收发器以及PCIExpress接口内核，能够提供更高程度的系统级集成;先进功率管理技术以及可选的1.0v低功耗内核使得Spartan-6FPGA功耗更低;支持超过12Gbps的存储器访问带宽;高性能集成存储器控制器支持DDR、DDR2、DDR3和移动DDR存储器，硬内核的多端口总线结构能够提供可预测的时序和高达DDR2/DDR3800(400MHz)的性能。

LED驱动芯片选用奥地利微电子公司(Austriamicrosystems)的AS3693B控制芯片。芯片拥有控制外部FET的概念设计，具有主动调节LED供电电源的专利节电技术，可最大限度地降低系统功耗。芯片具有I2C(Inter-IntegratedCircuit)和SPI(SerialPeripheralInterface)接口和16个独立PWM调节的通道，每个通道的电流精度高达为0.5%，可使LCD背光实现最精准的颜色及亮度控制;外接时钟和同步输入允许LCD背景光和电视图像同步，能实现“分块调光控制”，达到尽可能高的对比度。

FPGA板需要用到1.2V、1.8V、3.3V供电电压，AS3693B芯片需要用到3.3V电压，必须使用BUCK(降压变换器)将12V电压转换至所需电压。LED背光系统硬件设计如图四所示：

4 系统实现

系统实现框图如图五所示。FPGA 对整个系统实施控制。FPGA 首先接收电视主板发送的LVDS 信号， 由于LVDS 速度很快，每对LVDS 数据线速度为560~600Mbit/s，所以应使用ISERDES(串并转换器) 模块对其进行减速，同时按1:7 的比率由将VESA 或JEIDA 信号转换成RGB 格式的图像信号，由FPGA内置亮度分析模块根据亮度计算公式：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

计算出亮度信号并按区域统计，得到各区域的亮度信号;再通过I2C 模块，将平均亮度信号转换成电路控制信号，以I2C协议的形式将控制信号送至LED 驱动芯片以驱动16 个区域PWM 背光调节模块。控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要相应背光区域的控制电路，控制量决定该调整的类别( 背光亮度) 及需要调整的量，各控制电路彼此独立，互不相关;FPGA 同时将RGB 格式的图像信号通过7:1的OSERDES( 并串转换器) 重新生成LVDS 信号传送给液晶面板。液晶背光亮度根据电视画面内容实时同步调节，即实现了系统LED 背光动态调节功能。

经测算， 液晶电视背光最高亮度为350cd/m2， 均匀度为75%以上，达到了液晶电视背光的亮度要求。此款32 寸液晶电视原功耗为73W，实现动态调光功能之后，在背光亮度调至最大水平的状态下， 用功耗测试仪测得实际最大功耗为73W，在背光亮度调至最低水平时，测得实际功耗为38W;正常播放电视时测得平均功耗54W，节能效果明显。由于电视画面对应区域亮度降低，画质会有