256级灰度LED点阵屏显示原理及基于FPGA的电路设计

引言
256级灰度LED点阵屏在很多领域越来越显示出其广阔的应用前景，本文提出一种新的控制方式，即逐位分时控制方式。随着大规模可编程逻辑器件的出现，由纯硬件完成的高速、复杂控制成为可能。

逐位分时点亮工作原理
所谓逐位分时点亮，即从一个字节数据中依次提取出一位数据，分8次点亮对应的像素，每一位对应的每一次点亮时间与关断时间的占空比不同。如果点亮时间从低位到高位依次递增，则合成的点亮时间将会有256种组合。定义点亮时间加上关断时间为一个时间单位，设为T 。表1列出了每一位的点亮与关断的时间分配。
如果定义数据位“1”有效(点亮)，“0”无效(熄灭)，则表2列出了数据从00H到FFH时的不同点亮时间。由表2可知：数据每增1，点亮时间增加T/128。根据点亮时间与亮度基本为线性关系的原理，从0~255T/128的点亮时间则对应256级亮度。当然，这个亮度是时间上的累加效果。如果把一个LED点阵屏所有像素对应的同一数据位点亮一遍称为一场的话，那么8位数据共需8场显示完，称为“8场原理”。
理论上讲，8场即可显示出256级灰度，然而通过表2可看出，即使数据为FFH时，在8T时间内也只是点亮了255T/128时间。关断时间可接近6T，点亮时间仅为总时间的约25%，因此，8场原理虽也能实现256级灰度显示，但亮度损失太大。为了提高亮度，可采用“19场原理”，即8位数据分19场显示完，其中D7位数据连续显示8场，D6位连续显示4场，依次递减。表3列出了各位的点亮与关断时间。
由表3可推导出数据从00H~FFH范围的总点亮时间，如表4所示。在19T时间内，最大点亮时间可达近16T， 占总时间的84.21%，远大于“8场原理”的25%。数据每增1，点亮时间增加了T/16 ，该值大于“8场原理”的T/128。所以 ，“19场原理”较“８场原理”的对比度更明显，图像层次分明、表现力强。

电路设计
256级灰度LED点阵屏通常要具有能远程同步实时显示计算机视频信号的功能，涉及到的电路包括：数字视频信号的采集、数字信号的格式转换及非线性校正、远程传输及接收、灰度显示控制电路、LED点阵显示电路等。 本文重点讨论“灰度显示控制电路”的设计，控制对象以红、绿双基色LED点阵屏、1/16扫描显示电路为例。FPGA内部电路如图1所示。
因为被控对象为1/16扫描显示电路，所以显示屏每16行只需要一路数据信号即可。DRout1、 DGout1即为第一个16行的红、绿基色输出信号；DRout2、DGout2为第2个16行的红、绿基色输出信号。以此类推。
Ha、Hb、Hc、Hd的二进制编码，定义当前的数据输出应是16行中的哪一行。CP信号为数据串行输出的同步移位脉冲。LE信号为一行串行数据输出结束后的锁存脉冲, LE每有效一次，Ha、Hb、Hc、Hd二进制编码状态增1。EA为灰度控制信号，其宽度为在一个时间单位T内LED的点亮时间。当然, 不同的数据位其宽度不同, 具体由表3决定。一个时间单位T即一行串行数据的传输时间，也即LE信号的周期，其大小取决于屏宽的像素点数量和CP信号的频率。
DRin1~8和DGin1~8为红、绿数据输入信号，分别对应第1个16行点阵区到第8个16行点阵区。Cpin为同步脉冲，一个脉冲对应一位数据，8个脉冲对应一个像素点的8位数据输入。H信号为行同步脉冲，一行数据输入结束，H信号有效一次。V为帧同步脉冲，一帧(16行)数据输入结束，V信号有效一次。上述信号均为前级系统提供的信号。
FPGA外部接有两组高速静态RAM(图中未画出)，DRA1~8、DGA1~8为A组RAM的红、绿数据线，DRB1~8、DGB1~8为B组RAM的红、绿数据线；/WRA、/RDA为A组的读、写控制信号，/WRB、/RDB为B组的读、写控制信号；AA0~16为A组的地址线，AB0~16为B组的地址线。使用两组RAM的目的是保证对RAM的读写操作能同时进行。当写RAM(A)时，读RAM(B)；当写RAM(B)时，读RAM(A)。二者的写/读切换由帧信号V控制。V每有效一次，就进行一次切换。
Cpin为前级系统提供的写脉冲，同时亦作为写地址生成电路的计数脉冲，计数地址范围为A0~A16, 共128K字节, 其中A0~A2为灰度位数据地址(决定访问8位的哪一位)。A3~A12为X方向的像素地址，A13~A16为Y方向的像素地址，即行地址。H信号到来时，清零A0~A12，同时A13~A16地址加1。V信号到来时，A0~A12及A13~A16全部清零。上述地址作为RAM的写地址。
CLK为读地址生成电路计数脉冲(外电路提供)，计数地址范围亦为A0~A16, 共128K字节, 其中A0~A9为X方向的像素地址，A10~A13为Y方向的像素地址，即行地址。A14~A16为灰度位数据地址。上述地址 作为RAM的读地址，这些地址的变化规律应符合“19场原理”对地址要求的变化规律，即：A0~A9计满后清零，产生一个行信号即LE信号。LE信号作为A10~A13的计数脉冲，A10~A13计满后清零，产生一个场信号。场信号作为A14~A16的计数脉冲。不过，A14~A16并不是一简单的二进制计数，其规律如表5所示。为了能正确地读取写到RAM中的数据，生成的读地址应按表6所示的方法与RAM连接。
读写控制电路的作用是向两组RAM提供读写控制信号，逻辑关系如表7所示。数据输入/输出电路的作用是切换数据的传输方向，如表8所示。
帧切换电路的作用是产生上述电路所需要的切换信号S。实现的方法是，帧同步脉冲V每有效一次，S的逻辑状态翻转一次。帧切换电路保证了两组RAM随V信号不断进行读写转换。
灰度信号生成电路产生被控对象需要的EA信号，它随读地址A14、A15、A16的状态而变化。逻辑关系如表9所示。
依据帧周期Tp=20ms，一帧=19场原理，可得如下计算结果： 场周期Tv=Tp/19=1.05ms; 行周期T=Tv/16=66ms; 输出移位脉冲周期Tcp=T/1024=64ns;输出移位脉冲频率fcp=1/Tcp=15.6MHz。CLK信号频率fclk=fcp=15.6MHz; 实际应用时，选取CLK时钟信号频率为16MHz。
在MAX PLUSII10.0环境下，使用图形和硬件描述语言完成了以上电路的设计。

FPGA选型及仿真结果
由图1可知，FPGA必须提供113个I/O引脚，内部资源、工作频率须满足电路设计要求。采用Altera公司的ACEX1K系列EP1K10QC208-3芯片，该FPGA芯片速度高、价位低、有114个I/O引脚，576个逻辑宏单元，可兼容输入输出电路的TTL电平。仿真结果报告: 引脚利用率达99%，内部逻辑单元利用率达85%，达到了充分利用资源、提高性价比的目的。■