基于FPGA的LCD测试用信号发生器设计

摘要：在检测液晶屏特性和质量时，需要控制液晶屏显示一些标准信号。已有的一些信号产生设备产生的是AV信号、VGA信号或YPhPr信号等模拟制式的信号。模拟制式的信号需要经过图形处理器(GPU)转换成数字LVDS信号，然后输入到液晶屏的扫描控制电路产生相应图像。这个过程不可避免的会使图像信号产生一定程度的失真与损耗，影响图像质量。旨在设计一种新型信号发生器，该发生器产生的数字图像信号转换成数字LVDS信号后，直接输入液晶屏，以避免信号传输过程产生的失真与损耗。
关键词：液晶显示；信号发生器；FPGA；LVDS

0 引言
    液晶显示已成为目前平板电视与计算机显示终端的主流，液晶显示器的研究设计、生产、检验等部门甚至消费者需要用一些定量或定性的方法和指标去检验液晶显示器的质量和特性。
    液晶电视与液晶显示器是数字化的显示终端，为了与目前的计算机主机显卡相兼容，计算机显示器普遍保留了模拟制式的VGA接口，作为家用的液晶电视也普遍预留了VGA接口用来接收模拟的VGA显示信号。目前的一些LCD白平衡调整及检测设备所用的信号发生器都采用了从液晶电视和显示器的AV信号接口、VGA接口或YPbPr电视接口往液晶屏输送信号的方式，这几种显示信号须经液晶屏的控制电路再次转换为数字信号传输给液晶屏的数字扫描电路，在此过程中，信号发生器产生的数字信号经过D／A转换、传输和A／D转换，必然带来最终图像信号一定程度的失真与损耗。
    因此本文旨在设计一种输出数字量的信号发生器，直接经过液晶屏的LVDS接口输入数字量的信号。

1 液晶屏的接口
    本文研制的信号发生器的接收端为友达光电(AUOPTRONICS CORPORATION)生产的“M220EW01V0”型号22"宽屏16：9 LCD液晶屏。
    该液晶屏的逻辑控制与驱动电路对外的接口为LVDS接口。内部逻辑电路接收到LVDS输入的差分信号后解析成LVTTL电平的图像信号，由内部时序控制器控制产生X方向和Y方向的扫描信号，液晶屏显示出图像。图1为该液晶屏内部结构图。

    液晶屏的典型帧频率为60 Hz，典型时钟频率为72．1 MHz，LVDS接口接收的数据格式与时序如图2，图3所示。

    可以看出，通过设置引脚27为高电平或低电平，接收数据的时序有所区别。本文将27脚直接连至GND设为低电平。
    以上所描述是用VHDL语言编程产生图像时序的基础。

2 系统整体设计
2．1 系统整体结构设计
    本文采用Altera公司CYCLONEⅡ系列EP2C20Q240C8 FPGA作为主控制芯片，用VHDL硬件描述语言编程，以TI公司的SN75LVDS83芯片作为差分信号发送端，将系统产生的视频图像信号发送给液晶屏的LVDS接口。系统还包括按键控制输入模块，用于选择显示的图形模式和调整灰阶值；LCM模块YM1602C用于显示系统的状态信息，如图像的灰阶值等；基于Microwire协议的93C46数据存储模块用于存储系统参数；另外还有FPGA的JTAG下载接口电路，及用于主动配置方式的EPCS配置芯片部分。系统结构如图4所示。

2．2 系统难点设计
    液晶屏的数据输入口是LVDS接口，传输图像数据时采用LVDS技术。LVDS(Low Voltage Differential Signaling)是一种低摆幅的差分信号传输技术，它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以数百Mb／s的速率传输，其低压、低摆幅与低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。
    TI公司生产的SN75LVDS83芯片是用于平板电视视频传输的LVDS发送芯片，3．3 V供电，典型功耗250 mW，无信号传输时功耗小于1 mW，内含4个7 b并入串出移位寄存器，一个7倍时钟倍频器，共有5路LVDS驱动器，连接平衡线缆后可以同步传输28 b单端TTL或LVTTL数据。
    FPGA产生的图像RGB数据及同步信号并行输入SN75LVDS83芯片，它们之间的引脚连接关系如图5所示。系统采用了两片SN75LVDS83芯片，分别传输奇像素点RGB数据和偶像素点RGB数据。
    FPGA与差分信号发送电路的工作频率要求很高，FPGA的时钟频率达到50 MHz，差分信号更足高达350 MHz，因此，PCB的抗高频干扰设计是硬件设计的难点。在PCB设计中特别注意了LVDS接口的差分信号布线，数字地与模拟地的隔离问题以及信号完整性分析，同时解决了LVDS接口的阻抗匹配问题。

3 系统图像生成设计原理及实验结果
3．1 图像生成设计原理
    本文设计产生的图像分三类，第一类是纯彩色图像，包括纯红、纯绿、纯蓝和黑白图像；第二类是方块图像，各方块的色彩不同；第三类是运动图像，图像中有运动的元素。
    在显示第一类图像时，只要将RGB值设定到某一组合值，无须变化，液晶屏就显示出纯彩色的图像，在本文中还可以根据按键输入修改RGB值，因此显示的图像灰度值就可以修改，显示此类图像时液晶屏表面每个像素点的RGB值都相同；显示第二类图像时，根据行计数器和列计数器送入不同的RGB值，就可以使液晶屏表面不同区域像素点的RGB值不相同，但这类图像每帧都是相同的，因此是静态图像；RGB值除了根据行计数器及列计数器变化以外，RGB值还根据时间进行变化，这是第三类图像产生的原理。
3．2 实验结果
    表1为本系统叮实现的图像及检测功能。

    图6为液晶屏显示的可调灰度值的纯红、纯绿、纯蓝彩色图像。

    图7为液品屏显示的黑白间隔的九宫格图像。

    图8是可调节速度的方块运动图像截图。显示的图像清晰无抖动，运动图像中的运动方块速度可调节并且运动稳定。
    试验测试结果表明，本信号发生器达到了设计要求，可以通过液晶屏的LVDS接口提供稳定的图像信号。

4 结语
    本文研制的LCD测试用信号发生器能够产生测试LCD所需的各种图像信号，通过显示的图像来检测液晶屏的特性与质量。且本文研制的信号发生器在硬件设计方面克服了高频干扰，并且产生的是纯数字图像信号，与基于AV、VGA或YPbPr信号的模拟图像信号发生器相比，具有失真与损耗小，图像质量好的优点，可应用于实际情况。