FPGA在LED顯示上的應(yīng)用是怎樣的

在科技飛速發(fā)展的今天，LED顯示屏在我們的日常生活中隨處可見，LED廣泛應(yīng)用于商業(yè)和媒體廣告等大屏顯示，例如美國標(biāo)志建筑“紐約時(shí)代廣場”設(shè)計(jì)的戶外廣告大屏。早期LED顯示應(yīng)用的場景主要是門頭廣告，使用的單色屏，現(xiàn)在是主流的全彩屏。隨著對(duì)色彩，分辨率要求的提高，LED做的也越來越小，不僅對(duì)材料，散熱，工藝要求越高，同時(shí)也對(duì)集成商顯示方案性能要求越來越高。早期單色卡對(duì)控制面積和顯示效果要求不高，而且單色屏顯示驅(qū)動(dòng)單一，方案基本都是一顆主控MCU完成掃描驅(qū)動(dòng)顯示。通過將上位機(jī)或者U盤讀取顯示數(shù)據(jù)到MCU做數(shù)據(jù)重組處理，MCU將需要顯示的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)到屏上，然后鎖存數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)更新。

隨著市場顯示需求的發(fā)展，商場廣告大屏都采用全彩的LED模組顯示，由于分辨率和彩色效果的提高，主控MCU的性能和控制管腳數(shù)目已經(jīng)達(dá)不到要求，這時(shí)FPGA不管是在快速實(shí)現(xiàn)還是顯示成本，顯示效果上面都體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，也使FPGA在LED顯示上成為各大系統(tǒng)廠商選擇的主流方案。如圖顯示潤欣科技給客戶推薦的安路LED接收卡方案，方案需要將視頻信號(hào)、控制信號(hào)等數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)傳輸?shù)浇邮湛ǎ繌埥邮湛刂埔欢〝?shù)量的屏，并將數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)到下一張接收卡。

FPGA主要完成千兆網(wǎng)的接收與發(fā)送，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。需要GAMA矯正表對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，對(duì)于LED屏需要進(jìn)行逐點(diǎn)矯正，像素的灰度值也需要圖像算法計(jì)算，最終處理后的數(shù)據(jù)寫入SDRAM緩存。LED掃描模塊則產(chǎn)生LED驅(qū)動(dòng)芯片的掃描時(shí)序和灰度，根據(jù)掃描方式從SDRAM中讀出需要刷到LED上的數(shù)據(jù)。如下圖是FPGA內(nèi)部處理的邏輯模塊。

其中最核心的就是LED掃描控制模塊，全彩LED 顯示屏一般采用逐位點(diǎn)亮的掃描方式實(shí)現(xiàn)灰度圖像顯示。對(duì)于顯示灰度級(jí)數(shù)為8 位的LED 顯示屏,一般采用“19場掃描”原理來實(shí)現(xiàn)256 級(jí)灰度顯示。LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)更新一般采用串行輸出方式,如采用595 進(jìn)行設(shè)計(jì)的靜態(tài)LED 全彩顯示屏,根據(jù)“19 場掃描”原理,對(duì)于分辨率等規(guī)格確定的屏體,當(dāng)串行移位時(shí)鐘確定時(shí),顯示屏的刷新頻率和LED 的發(fā)光效率(一個(gè)掃描周期內(nèi),LED的最長點(diǎn)亮?xí)r間所占的比例) 也就被確定。以8 位“19場掃描”理論為例,所謂逐位點(diǎn)亮,即從一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數(shù)據(jù),分8 次點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的像素,每一位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間與關(guān)斷時(shí)間的占空比不同。如果點(diǎn)亮?xí)r間從低位到高位依次倍增,則合成的點(diǎn)亮?xí)r間將會(huì)有256 種組合。定義D0 位對(duì)應(yīng)的點(diǎn)亮?xí)r間加上關(guān)斷時(shí)間為一個(gè)時(shí)間單位,設(shè)為T ,可得表1 所示各位的點(diǎn)亮與關(guān)斷時(shí)間。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中, T也是對(duì)LED 顯示屏進(jìn)行一次串行數(shù)據(jù)更新所需要的時(shí)間。表1 所示的總時(shí)間是T 的整數(shù)倍,所以每個(gè)數(shù)據(jù)位所占用的總時(shí)間可以通過刷新一次屏幕數(shù)據(jù)來進(jìn)行定時(shí)。在進(jìn)行LED顯示屏設(shè)計(jì)時(shí),整個(gè)顯示屏中LED 的亮與滅可以通過總控線EN 控制,當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間≥1 T時(shí),EN 控制顯示屏處于常亮狀態(tài),而當(dāng)點(diǎn)亮?xí)r間< 1 T 時(shí),可以通過控制EN 產(chǎn)生相應(yīng)占空比的控制波形來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)位的亮度控制。該掃描方式可以實(shí)現(xiàn)全彩256級(jí)灰度顯示，LED廠商會(huì)根據(jù)不同的LED模組和顯示經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整具體的掃描方式達(dá)到較好的顯示效果。

相比于LED控制卡在FPGA功能實(shí)現(xiàn)掃描技術(shù)上的發(fā)展和提升，對(duì)應(yīng)LED控制卡方案和形態(tài)乃至于LED屏控制系統(tǒng)都有較大的發(fā)展，從LED控制卡之前的千兆網(wǎng)級(jí)聯(lián)方式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，到對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性要求極其苛刻的公檢法顯控平臺(tái)的LED顯示系統(tǒng)很多都是以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)有主從備份的掃描系統(tǒng)。在從LED控制卡發(fā)展形態(tài)上來看，從之前的單板多接口卡發(fā)展到LED燈板嵌入式LED控制卡的形態(tài)，有減小面積，減小功耗，擴(kuò)展性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。

從LED顯示領(lǐng)域應(yīng)用來看，安路的EG4系列FPGA在LED市場做了本土化和前瞻性的設(shè)計(jì)，通過核封SDRAM給客戶解決了帶寬，IO，面積，成本等問題，人性化的電源和地的管腳結(jié)構(gòu)讓客戶PCB成本有競爭優(yōu)勢，也提供了與國外同級(jí)別器件的封裝替代型號(hào)和高速串行接口?；诎猜?FPGA，潤欣科技給客戶推薦LED屏幕背后直連接的驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)方案，該方案包含自帶的AST高速異步傳輸接口、M3內(nèi)核、ADC等，一顆芯片功能齊全，滿足LED顯示所有需求。FPGA讀取U盤圖像數(shù)據(jù)，通過AST收發(fā)器傳輸數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)板通過HUB75接口直連LED屏幕驅(qū)動(dòng)芯片,最終實(shí)時(shí)顯示圖像。該系統(tǒng)和傳統(tǒng)的顯示模組相比，可靠性更高，燈驅(qū)合一，無排線，降低EMI。AST傳輸距離和傳輸速率可變，適應(yīng)不同點(diǎn)間距屏幕。實(shí)時(shí)反饋電壓，溫度，屏幕工作時(shí)間，性價(jià)比高，系統(tǒng)集成度高，調(diào)試流程簡單。隨著市場和技術(shù)發(fā)展，F(xiàn)PGA在LED顯示上面的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，潤欣科技也會(huì)不斷給客戶推出更好更優(yōu)秀的LED顯示方案。
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