基于CPLD的LED大屏幕視頻控制系統(tǒng)

1、基于cpld的led大屏幕視頻控制系統(tǒng) 復(fù)雜可編程規(guī)律器件()最早浮現(xiàn)于80年月后期,因?yàn)槠涓咚?、設(shè)計(jì)靈便、成本低、延時(shí)可預(yù)測(cè)等特點(diǎn),一經(jīng)面世便得到廣泛的應(yīng)用。世界各主要pld廠商都紛紛推出了自己的 cpld產(chǎn)品,如 公司的 max系列,的xc9500和spartan系列,lattice公司的isplsi系列等。 1.l 復(fù)雜可編程規(guī)律器件的特點(diǎn)與傳統(tǒng)的相比,cpld最大的特點(diǎn)在于其延時(shí)可預(yù)測(cè)性。在互連特性上,cpld采納延續(xù)互連方式,即用固定長(zhǎng)度的金屬線實(shí)現(xiàn)規(guī)律單元之間的互連,避開了分段式互連結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜的布局布線和多級(jí)實(shí)現(xiàn)問題,能夠便利地預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)序,同時(shí)保證了cpld的高速性能。用戶的與

2、實(shí)際系統(tǒng)集成后無太大的時(shí)光差異,不會(huì)給系統(tǒng)造成性能的波動(dòng),即系統(tǒng)具有穩(wěn)定的可編程性,這使得軟件控制下硬件的轉(zhuǎn)變不受器件的影響。1.2 isp lsi簡(jiǎn)介lattice 公司研制的在系統(tǒng)可編程大規(guī)模(isplsi)系列芯片具有高密度、高速度和在線可編程等特點(diǎn)2,使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單,并且不需要更改線路板就可以立刻更改設(shè)計(jì),代表了大規(guī)模可編程規(guī)律器件的進(jìn)展方向。isplsi包括以下幾個(gè)主要部分:glb(通用規(guī)律塊),grp(集總布線區(qū)),orp(輸出布線區(qū)),i/o單元和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。(1) glbisplsi的基本單元是glb。每個(gè)glb有18個(gè)輸入,4個(gè)輸出,以及實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律功能的須要規(guī)律。glb的

3、輸入來自grp和特地輸入端,glb的輸出反饋回glb,以便它們能銜接到任何別的glb的輸入端。(2) grpisplsi芯片中部有一個(gè)集總布線區(qū),該布線區(qū)在連線延時(shí)恒定且可預(yù)知的前提下,提供了完美的片內(nèi)規(guī)律互連性能。(3) orporp提供了glb輸出與芯片輸出引腳之間靈便的銜接途徑。(4) i/o單元每一個(gè)i/o單元挺直銜接到一個(gè)i/o引腳。每個(gè)i/o都可編程為輸入、輸出和雙向單元,并可按照所需要編程為鎖存或寄存功能。每16個(gè)i/o cell分為一組。8個(gè)glb,16個(gè)i/o cell,一個(gè)orp和2個(gè)專用輸入連在一起,組成一個(gè) megablock(組合模塊)。8個(gè)glb的輸出通過orp連到

4、16個(gè)i/o cell。每個(gè)megablock分享一個(gè)oe信號(hào)。(5) 時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)以1032 為例,時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)專用的時(shí)鐘輸入端:y0,y1,y2和y3;另外的一個(gè)專用時(shí)鐘輸入來自glb的輸出。5個(gè)時(shí)鐘輸出:clk0,clk1, clk2,i/o clk0和i/o clk1,用來提供到glb和i/o單元的時(shí)鐘線路。clk0,clk1和clk2用作glb的時(shí)鐘信號(hào);i/o clk0和i/o clk1則用作i/o cell的時(shí)鐘信號(hào)。2 大屏幕視頻顯示系統(tǒng)原理led大屏幕視頻顯示系統(tǒng)因?yàn)榫哂辛炼雀?、視角廣、壽命長(zhǎng)、性價(jià)比高,因此在銀行、交通、廣場(chǎng)、體育場(chǎng)館等公共場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。筆者用

5、按位分時(shí)顯示的辦法研制了256×256灰度級(jí)的led大屏幕視頻顯示系統(tǒng),畫面清楚穩(wěn)定,色彩豐盛,取得了良好的視覺效果。視頻控制系統(tǒng)是led大屏幕視頻顯示系統(tǒng)的核心,它負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種顯示控制信號(hào),對(duì)視頻數(shù)據(jù)舉行分割、存儲(chǔ)、灰度掃描并按特定的方式輸出數(shù)據(jù)到顯示屏體供驅(qū)動(dòng)顯示。從組成看,視頻控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)箱體內(nèi)的預(yù)處理卡及顯示屏體內(nèi)的可級(jí)聯(lián)的視頻控制器單元;視頻控制器單元(或預(yù)處理卡)由控制單元 (cpld)和存儲(chǔ)器單元(sram組)以及i/o接口單元等部分組成。計(jì)算機(jī)屏幕上每8×16行單色數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)兩片sram存儲(chǔ)器(1024列×8×16 行為1個(gè)存儲(chǔ)器單元

6、)8×1位數(shù)據(jù)口,全部存儲(chǔ)器的地址和控制信號(hào)由一片控制芯片(isplsi1032e)產(chǎn)生。它們?cè)陲@示系統(tǒng)中的關(guān)系1所示。大屏幕顯示范圍為1024列×768行,時(shí)鐘頻率65mhz,囫圇顯示區(qū)域分為6個(gè)存儲(chǔ)器單元,每個(gè)存儲(chǔ)器單元對(duì)應(yīng)1024列×128行數(shù)據(jù),2個(gè)存儲(chǔ)器單元及1片控制芯片共同組成一個(gè)視頻控制器單元(3個(gè)視頻控制器單元可以級(jí)聯(lián)控制1024列×768行)。計(jì)算機(jī)視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理卡(如反校正)后輸出到視頻控制器單元,視頻控制器單元按照時(shí)鐘和行、場(chǎng)同步信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)舉行分割并分時(shí)寫入到2個(gè)存儲(chǔ)器單元內(nèi),視頻控制器的存儲(chǔ)器單元同時(shí)讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)灰度調(diào)制后變成

7、串行數(shù)據(jù)流,并行輸出到顯示屏體驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)移位后以1行為周期打入到屏體顯示,同時(shí)行掃描信號(hào)以19行數(shù)據(jù)刷新時(shí)光為周期舉行垂直掃描。3 視頻控制器單元的實(shí)現(xiàn)3.1 灰度掃描辦法對(duì)于多灰度級(jí)led大屏幕顯示而言,灰度的分層(灰度掃描)顯示辦法是視頻控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,因?yàn)閘ed的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時(shí)光近似成正比,所以灰度等級(jí)的實(shí)現(xiàn)通常是由控制led的發(fā)光時(shí)光與掃描周期的比值,即采納調(diào)制占空比來實(shí)現(xiàn)的。(1) 灰度掃描約束公式首先給出幾個(gè)定義:行周期h指視頻控制器輸入1行數(shù)據(jù)的時(shí)光,即計(jì)算機(jī)輸出視頻行周期。顯示基本時(shí)光單位td定義為灰度級(jí)為1的像素在屏體的對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r光。幀掃描周期t定義為存儲(chǔ)單元

8、的存儲(chǔ)器中1幀圖像的讀出時(shí)光,存儲(chǔ)器中1幀圖像對(duì)應(yīng)2×8×16行1/n屏(n=l,2,3,)輸入視頻圖像。幀頻f為幀掃描周期的倒數(shù),為滿足人眼的視覺要求,假定幀頻不低于60hz。屏體顯示效率定義為幀掃描周期內(nèi)led屏體全亮(即全屏數(shù)據(jù)皆為最高灰度級(jí))時(shí)光與幀掃描周期的比值。全屏顯示指視頻控制器每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)列數(shù)為計(jì)算機(jī)屏幕全屏的有效顯示列數(shù),相對(duì)應(yīng)的是半屏顯示、1/3屏顯示等等。設(shè)顯示灰度等級(jí)數(shù)為n,因?yàn)榛叶燃?jí)為1的像素在屏體的對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r光為td,因而灰度線性調(diào)制后灰度級(jí)為i的數(shù)據(jù)顯示時(shí)光為i×td,灰度級(jí)最高的數(shù)據(jù)顯示時(shí)光為(n-1)×td。通

9、常的考慮3是在td內(nèi)完成對(duì)存儲(chǔ)器一行數(shù)據(jù)的一次讀出,同時(shí)以td為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打入到屏體舉行灰度顯示。因?yàn)楣灿衝 級(jí)灰度級(jí)數(shù),幀掃描周期為由以上分析可知,高的灰度級(jí)數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲(chǔ)器讀出速率是互相沖突的。要獲得高的灰度級(jí)數(shù),就必需提高存儲(chǔ)器讀出速率,或者降低幀掃描頻率,當(dāng)灰度級(jí)數(shù)較高時(shí),以目前的集成電路實(shí)現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。解決的辦法之一是大量采納并行結(jié)構(gòu),但掃描頻率每減小一倍成本就增強(qiáng)將近一倍,而且電路的復(fù)雜程度也有所增強(qiáng);另一種辦法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中,這種辦法經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是可行的。仍然以td作為顯示基本時(shí)光單位,以對(duì)存儲(chǔ)單元1行數(shù)據(jù)的一次讀出時(shí)光

10、作為屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)光(屏體數(shù)據(jù)打入周期),引入“消隱時(shí)光”的概念:“消隱時(shí)光”指屏體正常工作時(shí)光里的無效顯示時(shí)光。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)光可以大于顯示基本時(shí)光單位,即在屏體數(shù)據(jù)更新低灰度級(jí)時(shí)存在“消隱時(shí)光”,它雖然使顯示效率有所下降,但可以實(shí)現(xiàn)較低的掃描速率和較高的掃描幀頻。舉例來說,若屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)光為h,而顯示基本時(shí)光單位td為h/16,則灰度級(jí)為1的數(shù)據(jù)會(huì)引入 15/16行“消隱時(shí)光”,灰度級(jí)為2的數(shù)據(jù)會(huì)引入7/8行“消隱時(shí)光”,灰度級(jí)為8的數(shù)據(jù)會(huì)引入1/2行“消隱時(shí)光”,而灰度級(jí)為16的數(shù)據(jù)則不會(huì)引入“消隱時(shí)光”,這樣就能在不提高存儲(chǔ)器讀出速率(1)的狀況下(而且可以降低存儲(chǔ)器讀出速率vo=3

11、2.5mhz,h=31.7,=0.5)實(shí)現(xiàn) 256級(jí)灰度掃描。這時(shí)幀掃描周期為t=(1+1+1+1+1+2+4+8)×h×m=304h=9.64(ms) (11)幀頻為,f=1/t=103.6(hz) (12)但這時(shí)led大屏幕顯示屏體的顯示效率降低為''=(1/16+1/8+1/4+1/2+1+2+4+8)×h×m/t=83.88% (13)也可以取顯示基本時(shí)光單位td為h/32或h/8,經(jīng)計(jì)算得256級(jí)灰度td與幀頻f的關(guān)系2所示,td與led屏體顯示效率的關(guān)系3所示。設(shè)計(jì)中考慮到幀頻與led屏體顯示效率的折中,采納td=h/16,即

12、存儲(chǔ)器讀出速率等于1/2數(shù)據(jù)輸入速率,顯示基本時(shí)光單位為1/16 倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^對(duì)灰度數(shù)據(jù)按位分時(shí)顯示的辦法實(shí)現(xiàn),即計(jì)算機(jī)屏幕圖像以每像素24bit輸出(紅、綠、藍(lán)各8bit)時(shí),通過給每種色彩8bit 字節(jié)的不同位分配不同的顯示時(shí)光達(dá)到灰度顯示的目的。比如,最低位(第8位)對(duì)應(yīng)1/16行顯示時(shí)光,第7位對(duì)應(yīng)1/8行顯示時(shí)光,第2位對(duì)應(yīng)4行顯示時(shí)光,最高位對(duì)應(yīng)8行顯示時(shí)光。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)光以行周期為單位,最低位對(duì)應(yīng)更新時(shí)光為1行時(shí)光,其中顯示1/16行時(shí)光,其余15/16行時(shí)光里,由控制電路產(chǎn)生消隱信號(hào)舉行消隱,其余位類同。3.2 視頻控制器單元設(shè)計(jì)按照上述256級(jí)灰度視頻數(shù)據(jù)灰度掃描

13、的原理設(shè)計(jì)了256級(jí)灰度視頻控制器,原理(單個(gè)色彩通道)4所示。按功能來分,設(shè)計(jì)的視頻控制器單元可以分為四個(gè)部分:控制單元、存儲(chǔ)器單元(sram)、數(shù)據(jù)緩沖器和接口單元。視頻控制器單元的核心是存儲(chǔ)器單元,計(jì)算機(jī)屏幕上每128行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)器單元,顯示屏所要實(shí)時(shí)顯示的內(nèi)容(即計(jì)算機(jī)屏幕圖像數(shù)據(jù))都存放在存儲(chǔ)器單元中?？刂茊卧a(chǎn)生存儲(chǔ)器單元的地址信號(hào)和分時(shí)選通控制信號(hào)及灰度掃描控制信號(hào)如掃描地址信號(hào)、消隱、移位、鎖存脈沖等。數(shù)據(jù)緩沖器用于實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的讀寫(輸出輸入)緩沖。接口單元用于產(chǎn)生符合顯示屏驅(qū)動(dòng)電路接口格式的信號(hào)。當(dāng)一個(gè)幀存儲(chǔ)器舉行數(shù)據(jù)寫入時(shí),另一個(gè)幀存儲(chǔ)器舉行數(shù)據(jù)掃描讀出,這樣兩組存

14、儲(chǔ)器可以分離交替工作于視頻數(shù)據(jù)高速掃描和高速寫入兩種方式,因而可以提高數(shù)據(jù)讀寫的速率和顯示屏的幀頻,播放出來的圖像越發(fā)穩(wěn)定。3.3 視頻控制器單元設(shè)計(jì)視頻圖像信號(hào)頻率高、數(shù)據(jù)量大,要求實(shí)時(shí)處理,加之led大屏幕的數(shù)字規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜,采納復(fù)雜可編程規(guī)律器件(cpld)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制電路,可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),便于調(diào)試。筆者利用lattice公司的cpld器件,用按位分時(shí)顯示的辦法設(shè)計(jì)了256級(jí)灰度*256級(jí)灰度(紅、綠雙基色)視頻控制器單元的控制單元部分,經(jīng)測(cè)試畫面清楚穩(wěn)定,色彩豐盛,取得了預(yù)期的效果。以下是設(shè)計(jì)的大致過程。首先是器件選型。為了提高器件的利用率,從結(jié)構(gòu)化觀點(diǎn)動(dòng)身,統(tǒng)計(jì)出視頻控制器

15、存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)緩沖器和接口單元需要的控制信號(hào)數(shù)目為56,打算采納1片lattice的isplsi1032作為控制芯片。該芯片包含32個(gè)glb,192個(gè)寄存器,i/o口及輸入數(shù)為72,門數(shù)為6000,速度為70mhz,具有在系統(tǒng)編程功能,能夠比較高效地滿足應(yīng)用要求,同時(shí)還可兼顧系統(tǒng)今后的重構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,控制芯片用于產(chǎn)生讀、寫地址信號(hào)、掃描地址信號(hào)、分時(shí)選通控制信號(hào)和一些顯示控制信號(hào)如消隱、移位、打入脈沖等。在設(shè)計(jì)中采納了“自頂向下,逐步細(xì)化”的策略。設(shè)計(jì)中開發(fā)軟件采納lattice公司的工具ispexpert7.0,設(shè)計(jì)輸入采納了原理圖和硬件描述語言混合輸入的辦法,并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果舉行了仿真。定時(shí)分析結(jié)果為最小時(shí)鐘周期為26.7ns,時(shí)鐘周期計(jì)算公式為時(shí)鐘周期=路徑延時(shí)+時(shí)鐘到輸出端延時(shí)+建立時(shí)光 存儲(chǔ)單元采納雙結(jié)構(gòu)的高速sram,每行數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)19行時(shí)光讀出,讀出后幀頻為103.6hz。