基于FPGA的全彩色高清大屏LED扫描控制系统的设计朱玮鹏，王玲（湖南大学电器与信息工程学院，湖南长沙，410000，E-mail:shmilyun@gmail.com）摘要：介绍了一种具有高清显示能力的LED大屏幕全彩显示屏的驱动控制系统的设计方案。在FPGA内部实现系统各控制模块，对其反γ校正模块和灰度扫描模块的原理和实现进行了着重介绍。主控制芯片采用了Altera公司的低端芯片系列CycloneⅡ的EP2C8Q208，很好的控制了成本。列驱动芯片采用聚积科技的MBI5026，最高移位频率可达25MHz，使整个系统有很大的扩展性。最后，根据设计结果，给出了反γ校正和灰度扫描的仿真波形。关键词：LED显示屏；扫描驱动；FPGA；反γ校正；灰度中图分类号：TN27;TN702文献标识码：A0引言LED显示屏作为一种大型显示设备，具有亮度高、价格低、寿命长、维护简便等优点。红，绿，蓝三基色组成的全彩色LED显示屏，以画面清晰艳丽，对比度高，色彩效果丰富而备受关注。业界一般从寿命、单位面积亮度、三基色的偏差程度、点距、对比度、灰度等级(包括灰度级数和线性度)、扫描频率等指标来衡量或横向比较大型显示设备的好坏[1]。LED显示屏能不能获得优异的上述指标性能，与其扫描控制器的设计是否合理息息相关，其中反γ校正模块和灰度扫描模块的设计更是尤为关键。1反γ校正的研究由于以前使用最广泛的CRT显示器的显像管的电光转换是非线性的，而摄影机记录的数据是线性的，如果不加处理的把摄影机的原始数据输入显示器显示，就会有色彩还原不真实的情况发生。为了克服这一现象，一般会在传输之前对视频信号进行预校正，来实现摄像机数据（亮度）到CRT显示器数据（亮度）的线性变换，从而得到原始图像的逼真还原，这个预校正过程一般称为γ校正。LED却不同，它的电光转换是线性的，如果把经过了γ校正的数据直接输入LED显示屏进行输出，反而会使显示画面的低灰度级跳变过快，高灰度级层次不清。因此，LED显示屏在接受适用于CRT屏的图像数据信号时，必须要进行适当的灰度校正，称之为反γ校正。对数字视频数据进行反γ校正的方法有很多，如插值法，多项式回归法，查找表法等。插值法误差较大，多项式回归法速度较慢，这里重点介绍一下兼顾误差和速度的查找表法。查找表法一般是通过FPGA实现，其内部的存储器可配制出内置查找表的ROM，输出延迟最小可达纳秒级，可以完全满足对实时性要求苛刻的视频数据的处理[2]。查找表法是用一个查找表来代替繁琐复杂的非线性运算，即根据已知的反γ公式，事先将所有输入灰度值对应的校正之后的输出灰度值算好，配置到ROM中形成表格，在使用时只需根据输入信号的值取查询这个表就能得到反γ运算的结果值。（1）式（1）中是输入灰度级，为对应的输出灰度级，在确定γ的值之后，可以很方便的计算出与输入对应的输出。我们已经知道LED显示屏接收到的色彩信号是经过γ校正的R,G,B各8位的24位并行数据，可实现256级灰度显示。通过反γ校正，转换成R,G,B各12位的4096级灰度显示。γ取值越大，图像暗部的灰度等级越细腻，黑色和白色的反差也变大，但图像的整体显示质量也将下降，所以在实践中，γ的取值一般为1.6到2.8之间。2灰度扫描的研究灰度是指画面上亮度的等级差别。灰度扫描控制，也就是对发光单元的亮度的控制。人眼对快速的亮暗闪烁并不敏感，通过变换发光体的点亮时间和点亮面积来区分亮度，就能形成一种不同灰度画面的错觉，实现灰度级。一般灰度级越高，所显示图像的层次越分明，图像越细腻。2.1灰度实现方案LED显示屏的灰度实现方案有很多种，如幅值法电压组合法，空间法，时分法，帧灰度法，脉宽调制法和子场法[3]。表1常用灰度控制方案灰度实现方法灰度实现原理该方法特点幅值法器件发光强度与驱动电流或电压呈线性关系实现容易，但精度低电压组合法驱动电压幅值按一定步长划分为多个子电压来组合灰度精度低空间法每一定数目的点作为一个单元，控制各单元处于点亮状态的点的个数电路简单，控制和驱动电路增加，分辨率低时分法在每个显示周期内按照灰度级平均等分出小的时间间隔脉冲难以实现高灰度级帧灰度法一定数量的帧作为一个时间单元，控制该单元内处于点亮状态的帧数扫描的频...