【技術分享】FPGA在LED顯示上的應用

            日期:2021-05-20 作者:潤欣科技創研社 返回列表

            在科技飛速發展的今天,LED顯示屏在我們的日常生活中隨處可見,LED廣泛應用于商業和媒體廣告等大屏顯示,例如美國標志建筑“紐約時代廣場”設計的戶外廣告大屏。早期LED顯示應用的場景主要是門頭廣告,使用的單色屏,現在是主流的全彩屏。隨著對色彩,分辨率要求的提高,LED做的也越來越小,不僅對材料,散熱,工藝要求越高,同時也對集成商顯示方案性能要求越來越高。早期單色卡對控制面積和顯示效果要求不高,而且單色屏顯示驅動單一,方案基本都是一顆主控MCU完成掃描驅動顯示。通過將上位機或者U盤讀取顯示數據到MCU做數據重組處理,MCU將需要顯示的數據驅動到屏上,然后鎖存數據,完成數據更新。


            隨著市場顯示需求的發展,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目已經達不到要求,這時FPGA不管是在快速實現還是顯示成本,顯示效果上面都體現出巨大優勢,也使FPGA在LED顯示上成為各大系統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、控制信號等數據通過千兆網傳輸到接收卡,每張接收卡控制一定數量的屏,并將數據級聯到下一張接收卡。


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            FPGA主要完成千兆網的接收與發送,并對接收到的數據進行解碼。需要GAMA矯正表對顯示數據進行矯正,對于LED屏需要進行逐點矯正,像素的灰度值也需要圖像算法計算,最終處理后的數據寫入SDRAM緩存。LED掃描模塊則產生LED驅動芯片的掃描時序和灰度,根據掃描方式從SDRAM中讀出需要刷到LED上的數據。如下圖是FPGA內部處理的邏輯模塊。


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            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亮的掃描方式實現灰度圖像顯示。對于顯示灰度級數為8 位的LED 顯示屏,一般采用“19場掃描”原理來實現256 級灰度顯示。LED顯示屏的顯示數據更新一般采用串行輸出方式,如采用595 進行設計的靜態LED 全彩顯示屏,根據“19 場掃描”原理,對于分辨率等規格確定的屏體,當串行移位時鐘確定時,顯示屏的刷新頻率和LED 的發光效率(一個掃描周期內,LED的最長點亮時間所占的比例) 也就被確定。以8 位“19場掃描”理論為例,所謂逐位點亮,即從一個字節數據中依次從低位到高位或者從高位到低位提取出一位數據,分8 次點亮對應的像素,每一位對應的點亮時間與關斷時間的占空比不同。如果點亮時間從低位到高位依次倍增,則合成的點亮時間將會有256 種組合。定義D0 位對應的點亮時間加上關斷時間為一個時間單位,設為T ,可得表1 所示各位的點亮與關斷時間。


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            在實際設計中, T也是對LED 顯示屏進行一次串行數據更新所需要的時間。表1 所示的總時間是T 的整數倍,所以每個數據位所占用的總時間可以通過刷新一次屏幕數據來進行定時。在進行LED顯示屏設計時,整個顯示屏中LED 的亮與滅可以通過總控線EN 控制,當點亮時間≥1 T時,EN 控制顯示屏處于常亮狀態,而當點亮時間< 1 T 時,可以通過控制EN 產生相應占空比的控制波形來實現相應位的亮度控制。該掃描方式可以實現全彩256級灰度顯示,LED廠商會根據不同的LED模組和顯示經驗來調整具體的掃描方式達到較好的顯示效果。


            相比于LED控制卡在FPGA功能實現掃描技術上的發展和提升,對應LED控制卡方案和形態乃至于LED屏控制系統都有較大的發展,從LED控制卡之前的千兆網級聯方式的拓撲結構,到對系統運行穩定性要求極其苛刻的公檢法顯控平臺的LED顯示系統很多都是以星形拓撲結構,同時有主從備份的掃描系統。在從LED控制卡發展形態上來看,從之前的單板多接口卡發展到LED燈板嵌入式LED控制卡的形態,有減小面積,減小功耗,擴展性強,結構簡單等優勢。


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            從LED顯示領域應用來看,安路的EG4系列FPGA在LED市場做了本土化和前瞻性的設計,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構讓客戶PCB成本有競爭優勢,也提供了與國外同級別器件的封裝替代型號和高速串行接口。基于安路 FPGA,潤欣科技給客戶推薦LED屏幕背后直連接的驅動板設計方案,該方案包含自帶的AST高速異步傳輸接口、M3內核、ADC等,一顆芯片功能齊全,滿足LED顯示所有需求。FPGA讀取U盤圖像數據,通過AST收發器傳輸數據,驅動板通過HUB75接口直連LED屏幕驅動芯片,最終實時顯示圖像。該系統和傳統的顯示模組相比,可靠性更高,燈驅合一,無排線,降低EMI。AST傳輸距離和傳輸速率可變,適應不同點間距屏幕。實時反饋電壓,溫度,屏幕工作時間,性價比高,系統集成度高,調試流程簡單。隨著市場和技術發展,FPGA在LED顯示上面的應用會更加廣泛,潤欣科技也會不斷給客戶推出更好更優秀的LED顯示方案。

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