基于FPGA的LED视频显示控制系统的设计
基于FPGA的LED电视动态背光系统设计
基于FPGA的LED电视动态背光系统设计LEDTV意即采用LED背光技术的液晶电视。
当前，以LED为背光源的液晶电视具有轻薄、节能、环保一系列优点，成为电视和显示器市场的主流产品。
通过调节LED背光源电源电压或工作电流的大小，可以方便地改变LED的发光强度，这就使得以降低功耗为目的的液晶电视LED背光动态调节技术获得迅速的应用，而LED纳秒量级的响应速度，为LED背光的动态调节提供了保证。
LED背光模组区分底背光和侧背光两种方式。
底背光又叫直下式，是指LED灯安装在液晶背面，均匀分布在面板的后方。
底背光方式散热好、整体亮度均匀、画面细节逼真、动态背光效果好，目前主要应用于大尺寸和高端液晶电视市场。
侧背光又叫侧入式背光，是指LED灯安装在液晶面板上下两侧或者四周，利用导光板传递光线实现屏幕背光，这种背光方式结构简单，容易实现薄形化设计，成本也较低，目前主要用于中低端液晶电视机产品。
本文设计一款基于FPGA(现场可编程门阵列)的液晶电视动态背光系统，采用LED侧背光方式，符合当前液晶电视LED背光应用主流。
电视动态背光 以往的电视机主板将图像信号通过LVDS(LowVoltageDifferentialSignal，低压差分信号传输)将图像信号传送至液晶面板，另外通过LED驱动控制背光，显示系统和背光系统相对独立。
图像信号通过LVDS传送的时候，有两种格式，一种是JEIDA的标准，如图一所示;一种是VESA的标准，如图二所示。
液晶面板的LVDS信号一般有四至五对，一对是时钟信号，三至四对为数据信号，数据信号和时钟信号速度为7:1。
液晶电视动态背光调节区分LED背光组件的整屏亮度PWM(脉宽调制)控制、LED背光组件的横向分区域亮度PWM控制、LED背光组件的纵向分区域亮度PWM控制、RGB分区域亮度控制和综合控制。
要使液晶电视能达到分区域背光亮度PWM控制，相应地必须对动态的图像信号进行分析，通过插入的FPGA板计算出各个区域的图像亮度信息，然后根据区域统计的平均亮度信号，驱动LED控制芯片分别调节相应背光区域的背光亮度。
基于FPGA的LED全彩显示屏控制系统设计
Ｏ 引 言
Ｌ Ｄ显示 屏最 早 出现在 １７ Ｅ ９０年代 ， 着 电子工业 技术 的发展 和人 民生 活水 平 的 提 高 ，Ｅ 随 Ｌ Ｄ显 示 屏 已被
用到交通信息引导 、 广告传播 、 建筑装饰 、 台背景 、 舞 广场大屏幕等方 面。Ｌ Ｄ显示屏也从简单的文字信息 Ｅ
屏发 展 到高清 全彩 的视 频播 放显 示屏 ， 以直 接 接 收 Ｄ ＩＶ Ａ 和有 线 电视 视 频 信 号 全彩 Ｌ Ｄ显示 屏 作 可 Ｖ 、Ｇ Ｅ 为节 能产 品一 直存 在成 本 高 ， 自我监 测能 力弱 ， 亮度 不均 匀 的缺点 。本 论文 就这 些方 面提 出解决 方 案 。
１ １２ Ｆ Ｇ ． ． Ｐ Ａ配置程 序 存储 器选择
ＦＧ Ｐ Ａ选择工作在被动状态 ， 为了节省成本和充分利用单片机资源 ， 由单片机配置 Ｆ Ｇ 因此要一个稳 Ｐ Ａ，
定 可靠 的存 储 器存储 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ配置程 序 。为此 选 择存 储 片 Ｍ２ Ｐ０， ２ Ｐ ０为 Ｓ Ｉ ５８ Ｍ ５ ８ Ｐ 串行 Ｆａｈ存 储 器 ， 量 ｌ ｓ 容 为 ６ Ｋ ｉ具有 先进 的写 保卫 机制 。Ｍ２ Ｐ０在配 置程 序下装 后 写保 护 ， 保证 Ｆ Ｇ ４ ｂｔ ５８ 可 Ｐ Ａ每次 上 电被正 确配 置 。
收 稿 日期 ：０ １０ —５ ２ １ － ２ ３
作者简 介 ： 李海富 （９ ４ ） 男 ， １６ 一 ， 吉林长春人 ， 副教授 ， 士 ， 硕 主要从事嵌入式及智能控制方 向的研究 。
２
长
Байду номын сангаас
春
大
学
学
报
第 ２ 卷 １
及线 路 短路侦 测 能力 ， 为显 示屏 的保 护维 修 提供方 便 。
基于FPGA的LED显示屏控制系统设计_郭宝增
又重新燃亮第一列 , 反复轮回。当这样轮回的速 度足够快 ( 24 次/ s 以上 ) , 由于人眼的视觉暂留现 象, 就能够看到显示屏上稳定的字符了。 3. 3 数据处理模块 数据处理采用 SDRAM 。 SDRAM 通常用于 需要大量易失性存储 器且有成本要 求的应用系 统。核心板采用 2 片 16 位总线的 8 M B SDRAM 器件 K4S641632H ( 1 MB 16 bit 4 bank) , 每
嵌入式处理器和 Cy clo ne F PGA 的组合, 允许 设计 者 在很 短时 间 内构 建 一个 完 整的 可 编程 系统[ 1, 9, 10 ] 。 使用 Alt era 公 司 的 Quar tus Builder 工具以及 Nios 以生成 Nios 软 件, SOPC 集成开发环境 ( IDE) , 可 软核微处理器硬
过串口即 RS232 以及 JT AG 下载线实现的。串 口上位机中字模提取工具提供的待显示的数据信 息发送到 F PGA 芯片 上, JT AG 下 载线实现 PC 和 Nios 系统间的通信。 F PGA 核心板与 LED 显示模块 之 间 的通 信 也是 通 过 RS232 串口 实
3
硬件设计
对应- 5~ - 15 V 电平, 标准逻辑 0 对应 5~ 15 V 电平。因此, 在完成上位机与下位机的数据通讯 时, 必须进行电平转换[ 11] 。 图 3 是 RS232 通讯接口电路图, MAX232 是 3. 3 V 工作电源的 RS232 转换芯片。 JTAG 是一种国际标准测试协议( IEEE 1149. 1
第3期
郭宝增 , 等 : 基于 F PG A 的 L ED 显示屏控制系统设计
基于FPGA的大屏幕LED点阵显示系统设计
基于FPGA的大屏幕LED点阵显示系统设计LED屏早在60年代就已出现，但直到90年代中期，才出现了全彩屏，该技术近年的价格已有了很大的降幅，分辨率也有了很大的改善。
对于视频来说，LED屏的低分辨率表现性能良好。
平常看到LED屏的分辨率与电脑显示器的分辨率是差不多的。
LED 彩色显示大屏是室外显示大屏中用的最多的，是公认的室外大型显示屏中最值得发展的产业，LED 屏以其高亮度、长使用寿命更胜一筹。
与LCD 相比，LED屏播放视频时的响应速度更快，亮度更高。
与电子发射显示器相比，LED制造更简单。
与OLED相比，LED技术更成熟。
总之，LED 显示以其得天独厚的优势占据了高分辨率视频显示市场。
本文设计的基于FPGA的大屏幕LED点阵显示系统处理数据更快、存储量更大。
一、接收卡控制系统的总体方案设计如图1所示，视频数据通过DVI 接口传给FPGA1，进行分辨率的切换和显示区域的选择以及信号的反伽码矫正，通过网络传输给接收卡的FPGA2，通过FPGA2 进行数据的缓存，灰度控制以及行扫描和列驱动功能。
接收卡接收的是DVI 传给FPGA1，经FPGA1 处理后的数据。
在FPGA2 内部还要进行数据处理，处理要达到的目标：（1）数据能在LED 屏幕上分区显示；（2）256 灰度级屏幕大小：256*800。
（一）灰度实现方案的选择采用专用驱动芯片BHL2000来控制LED显示点阵，其内部自动有灰度控制电路。
BHL2000是一块专门用于LED 扫描和驱动的高性能室外屏室内屏通用的专用集成电路。
BHL2000 芯片对LED 点阵的灰度采用占空比的调制方式并接受8 位并行灰度脉宽宽度与灰度数据值成正比，图像数据存储容量为32*16*8 比特，数据输入扫描与数据输出扫描独立，控制系统结构简单。
专用芯片与通用芯片相比有它独特的特点，专用驱动芯片内部有SRAM，输出时恒流控制。
LED 显示效果更好，灰度实现简单,容易控制,为以后的扩展使用打下良好的基础。
基于FPGA的LED显示控制系统设计
显示控制系统由输入接口模块、存储器写入控 制模块、存储器读取控制模块、动态控制模块、SEL 控制模块和存储器模块等六个子模块构成，其结构 原理图如图 3 所示。设计采用 Verilog HDL 语言分 模块编程实现［3］，最后通过顶层模块调用来实现整 体功能的描述。
图 3 显示控制系统原理图
1 LED 显示模块工作原理
显示控制系统通过 RS232C 接口和外部 PC 进 行数据交换，同 时 进 行 显 示 数 据 的 传 送 和 控 制，最 终实现对 LED 矩阵（ 256 点阵） 的亮暗控制。本设 计所用的 LED 显示模块结构如图 1 所示，此 LED 显 示模块由 矩 阵 LED 和 其 控 制 部 的 LED 控 制 板 构 成。LED 控制板的内部带有系统时钟（ OSC） ，通过 内部复位（ RST） 初始化。
张志伟 赵 峰
（ 陕西理工学院物理与电信工程学院，汉中 723000）
摘 要 LED 产业是 21 世纪最具有发展前景的高新技术产业。根据 LED 显示模块结构特点，应用 FPGA 技术对 LED 显示
屏的控制系统进行设计。显示控制系统由输入接口模块、信号写入控制模块、信号读取控制模块、读取控制模块、存储模块、
第 13 卷 第 3 期 2013 年 1 月 1671—1815（ 2013） 03-0753-04
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 13 No. 3 Jan． 2013 2013 Sci. Tech. Engrg.
基于 FPGA 的 LED 显示控制系统设计
LED 显示屏是一种通过控制半导体发光二极 管的亮度的方式，来显示文字、图形、图像、动画、行 情、视频、录 像 信 号 等 各 种 信 息 的 显 示 屏 幕。 近 几 年来，作为 半 导 体 照 明 领 域 的 一 部 分，城 市 景 观 照 明及室内外装饰照明的霓虹灯和部分传统光源必 将逐步被具有节能、环保、寿命长、可靠性高及可实 现全彩变化的 LED 光源所取代。本设计使用 FPGA 技术实现对 LED 显示系统的控制，采用自顶向下的 设计方法，用模块调用实现任意字符和图案的动态 显示［1，2］。
基于FPGA的全彩色LED点阵显示屏控制器的设计
结论
本次演示设计了一个基于FPGA的全彩色LED点阵显示屏控制器，实现了高清 晰度、高色彩还原度的图像显示。通过实验验证，我们发现控制器在显示效果和 稳定性方面均表现出色。然而，在实验过程中仍然存在一些问题，如闪烁和存储 器延迟等问题，需要进一步研究和优化。
展望未来，我们将继续深入研究LED点阵显示屏控制器的相关技术，进一步 提高控制器的性能和稳定性。我们也将探索更加先进的图像处理算法和优化技术， 以实现更加出色的显示效果和更加灵活的应用场景。相信在不断的研究和努力下， 基于FPGA的全彩色LED点阵显示屏控制器将会在更多领域得到广泛应用，为社会 的发展和进步做出积极的贡献。
然而，在实验过程中也出现了一些问题，如显示屏在显示过程中出现闪烁现 象。经过分析，我们发现这是由于图像处理算法中的色彩空间转换过程中亮度值 调整不当所致。通过调整亮度值，闪烁问题得到了解决。此外，我们还发现存储 器模块在数据传输过程中存在延迟，影响了显示效果。针对这一问题，我们优化 了存储器模块的数据传输机制，提高了数据传输速度，从而提高了显示屏的显示 效果。
2、输入输出接口设计：采用VGA接口作为输入接口，将PC或其他设备的图像 信号输入到FPGA中。输出接口采用HDMI接口，将处理后的图像信号输出到LED点 阵显示屏。
3、图像处理算法：采用基于RGB色彩模型的图像处理算法，将输入的VGA信 号进行色彩空间转换、分辨率缩放、亮度调整等处理，以满足LED点阵显示屏的 显示要求。
2、软件架构：采用分层设计思想，将软件分为驱动层、算法层和显示控制 层。驱动层主要负责硬件设备的初始化和控制；算法层实现图像处理算法；显示 控制层负责将处理后的图像信号输出到LED点阵显示屏。
实验验证
为了验证控制器的效果，我们进行了一系列实验。首先，我们通过VGA接口 将一个1024x768分辨率的彩色图像输入到控制器中，然后将处理后的图像信号输 出到400x400像素的全彩色LED点阵显示屏上。实验结果表明，控制器能够实现高 清晰度、高色彩还原度的图像显示，且响应速度较快，无明显延迟。
基于FPGA的LED显示控制系统设计
参 考 文 献
统通 用性 和扩展 性 能 大大 提 高 Ｊ ， 显示 控 制 系统 的 各 子模块 程 序 编 译 综 合 后 通 过 总 模 块 程 序 调 用 实
１ Ｐ ａ ｎ ｌ ｎ ｉ ｔ ｋ ａ ｒ Ｓ ． Ｖ ｅ ｒ ｉ ｌ ｏ ｇ － ＨＤ Ｌ数字 设计 与综合 ．夏宁闻 ， 译 ．北京 ：
如下 ：
ａ ｌ ｗ ａ ｙ ｓ ＠（ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ｇ ｅ ｓ ｃ ￣ ｋ ） ／ ／ Ｎ断时钟信号
ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ
初 始 时将存 储器 的地 址 ［ ０ ０ ０ １ ］ 和［ ０ ０ ０ ２ ］ 各 自改
写为［ Ａ Ａ Ａ Ａ ］ 和［ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ ］ 等数字， 当存储器写入控制 的生成。实现 Ｌ Ｅ Ｄ的动态开灯控制 的具体程序实现 信号 ｗ ｅ 为 Ｌ时， 读 出数据为 ［ Ａ Ａ Ａ Ａ ］ 和［ Ｂ Ｂ Ｂ Ｂ ］ 。若
电子 工 业 出 版社 ， ２ ０ ０ ８
现整体功能（ 由于篇 幅原因具体总模块程序不在此
罗列） 。其 仿 真 时序 图如 图 ６所 示 ， 通 过 波 形 可 以
ｅ ｎ ｄ
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块的控制信号。当 ｌ ｅ ｄ — ｃ ｌ ｋ为 １时， 读地址信号为 ０ ２ ． ６ 存 储器 模块 设计 或 １时 ， 让第 一 排 灯 亮 ， 取 ２或 ３时第 二 排亮 … …３ ０ 存 储器 模 块 针 对 在 Ｓ Ｅ Ｌ模 块 被 指 定 的地 址 ， 进
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基于FPGA的LED显示屏控制方案
基于FPGA的LED显示屏控制方案概述随着需求的增加，许多电子设备和系统需要具有更高的性能，并且需要更高效的数据处理。
这些设备和系统需要实现更多的功能，需要数据存储更可靠，并需要更快速地处理数据。
现在有许多解决方案，其中包括基于FPGA的解决方案。
本文将讨论基于FPGA的LED显示屏控制方案。
FPGA概述FPGA是一种可编程逻辑门阵列（PLA），其在电子领域有着广泛应用。
与传统的ASIC（特定应用集成电路）不同，FPGA具有可编程的门电路。
因此，FPGA的功能可以在设计时通过编程进行定制化。
FPGA的应用范围很广泛，包括通信、计算机、嵌入式系统等等。
LED显示屏概述LED显示屏主要由LED点阵组成，其在各种场合都有广泛的应用。
例如：室内的广告牌、室外的公告牌、舞台背景幕等等。
在这些应用中，LED显示屏可以显示图像、文字和动态影像等各种内容。
此外，LED显示屏也可以用于显示环境温度、湿度或其他各种数据。
基于FPGA的LED显示屏控制方案基于FPGA的LED显示屏控制方案可用于设计各种LED显示屏，下面是实现这个目标的基本步骤：1. FPGA系统设计FPGA系统模块化设计需要采用标准的设计方法，使用VHDL或Verilog HDL等基本的设计语言，进行逻辑功能的实现。
通常这些模块包括时钟模块、程序存储模块、输入输出模块、控制器模块等。
2. 帧控制器设计基于FPGA的LED显示屏需要一个单独的控制器模块来完成任务。
FPGA的设计人员需要设计此控制器模块。
在控制器中，我们可以采用一种帧的高速重复显示，这可以使用同一模块来完成大部分图像操作。
3. 显示控制器设计显示控制器用于执行具体的显示功能，在LED驱动器下进行控制，并为数据的输出提供信号。
例如，如果我们要做一个汽车行车记录仪，我们可以将控制器模块中的显存用于存储数据，该数据将由LED显示模块驱动。
4. 驱动器设计LED驱动器是一个必要的模块，它用于将信号转换为LED点阵中的亮度（即灰度）控制。
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上海交通大学硕士学位论文基于FPGA的LED视频显示控制系统的设计姓名：叶心明申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：范征宇20090101基于FPGA的LED视频显示控制系统的设计摘 要LED显示屏是LED点阵模块或者像素单元组成的平面显示屏幕。
自从诞生以来，以其亮度高、视角广、寿命长、性价比高的特点，在交通、广告、新闻发布、体育比赛、电子景观等领域得到了广泛应用。
LED显示屏控制器作为控制LED屏显示图像、数据的关键，是整个LED视频显示系统的核心。
本文研究的是对全彩色同步LED屏的控制，控制LED屏同步显示在上位机显示系统中某固定位置处的图像。
根据已有的LED显示屏及其驱动器的特点，提出了一种可行的方案并进行了设计。
系统主要分为两个部分：视频信号的获取，视频信号的处理。
经过分析比较，决定从显卡的DVI接口获得视频源，视频源经过DVI解码芯片TFP401A的解码后，可以获得图像的数字信息，这些信息包括红、绿、蓝三基色的数据以及行同步、场同步、使能等控制信号。
这些信号将在视频信号处理模块中被使用。
信号处理模块在接收视频信号源后，对数据进行处理，最后输出数据给驱动电路。
在信号处理模块中，采用了可编程逻辑器件FPGA 来完成。
可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、高可靠性、在线可编程（ISP）等特点，所以特别适合于本设计。
利用FPGA的可编程性，在FPGA内部划分了各个小模块，各小模块中通过少量的信号进行联系，这样就将比较大的系统转化成许多小的系统，使得设计更加简单，容易验证。
本文分析了驱动电路所需要的数据的特点，全彩色灰度级的实现方式，决定把系统划分为视频源截取、RGB格式转化、位平面分离、读SRAM地址发生器、写SRAM地址发生器、读写SRAM选择控制器、灰度实现等模块。
最后利用示波器和SignalTap II逻辑分析仪等工具，对系统进行了联合调试。
改进了时序、优化了布局布线，使得系统性能得到了良好的改善。
在分析了所需要的资源的基础上，课题决定采用Altera的Cyclone EP1C12 FPGA设计视频信号处理模块，在Quartus II和modelsim平台下，用Verilog HDL语言开发。
关键词：FPGA，全彩色LED屏，DVI接口，灰度实现，位平面分离DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF LED VIDEO DISPLAYBASED ON FPGAABSTRACTLED display screen is a kind of plane screen which composed by LED lattice module or LED pixel unit. Because of its advantages such as high brightness, wide view angle, long life and high performance-price ratio, LED display screen was widely used in many fields such as traffic, advertisement, news publishing, stadium, etc. since its birth.As the key of controlling LED screen to display video and data,LED screen controller is the core of the whole LED display system. The thesis focus on controlling full color LED screen synchronously, controlling LED screen to display video in a fixed position of upper computer synchronously. According to characteristic of LED driver, the author proposed a feasible plan and designed it. The whole system includes two parts: obtain video source and process signal.After comparison, the author decided to acquire video source from DVI interface in display card. Decoded by TFP401A, the video source was changed into digital signal, including RGB data and some control signals such as horizontal synchronization, field synchronization and enabling signal which will be used in the signal processing module.After receiving video signal, signal processing module will process these data, and finally output it to driver circuit. In this module, the author used FPGA to implement. Programmable logic device has the characteristic of high integration, high speed, high reliability and ISP, soit really suitable for the design. The author divided many sub-modules in FPGA, these sub-modules linked by some signals. By doing these, author divided a bigger system into many smaller systems, making the whole design easier and verification easier.At last, using the tools of oscilloscope and SignalTap II logicanalyzer, the author tested the whole system. By improving timing and optimizing fitter, the performance of the system improved greatly.After analyzing resource that will be used in the design, the thesis decided to use Cyclone EP1C12 FPGA of Altera to design video signal processing module. The system is developed under the platform of Quartus II and modelsim software, the development language is Verilog HDL.KEY WORDS: FPGA, full color LED screen, DVI interface, grayscale implementation, bit-separate上海交通大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日第一章绪论1.1 LED显示屏LED是发光二极管英文Light Emitting Diode 的简称。
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或者像素单元组成的平面显示屏幕。
它的亮度高、视角广、寿命长、性价比高，而且具有可与计算机同步显示各种文字、图形、图像，可实时播放电视、录像等视频信号，可即时输入、编辑各种多媒体数据等优点，所以在政府 、军队、金融、厂矿企业、商业、智能交通、院校、医疗、服务业和体育场馆等许多公共场合得到了广泛的应用。
按照显示色彩可把LED显示屏分为三类[1]：（1）单色显示屏系统：只有一种颜色的LED点阵，各发光器件只有亮或灭，亮度不能控制，也就是没有灰度控制，主要用于文字显示。
（2）双基色显示屏系统：LED点阵一般为红绿两种颜色，加入了灰度控制，可以显示出比较生动的图像。
（3）全彩色显示屏系统：每个点由红、黄、绿三种颜色的LED组成，通过对三种颜色的灰度控制可以显示出真彩色。
能够接收视频信号并显示运动的全彩色图像。
1.2 LED显示屏控制器LED显示屏控制器是控制LED显示屏进行显示的电路系统。
一个典型的LED 显示屏系统，可以分为三个部分：显示屏、控制器和上位机。
LED控制器主要可分为以下两种类型[2]：（1）同步控制器其基本功能是实现计算机屏幕上的内容到LED屏体的实时映射，包括在多媒体卡的支持下显示Video视频图像。
它相当于在PC与LED屏之间建立起一个DMA 通道，将计算机显示器屏幕上的内容，直接映射到LED显示屏上。
所以它可以在LED显示屏上显示任何可以在PC显示器上显示的内容。
它的主要优点就是显示内容比较丰富，主要缺点是每个控制器都需要一台PC与其配套使用，使用成本比较高，并且难以实现多个屏的集群控制。
该技术首先要求显示的实时性，即LED显示屏体与计算机屏幕的映射速率必须至少具有40HZ的刷新率;其次是LED 显示屏体必须具有256级灰度的色彩的还原能力。
（2）异步控制器异步控制器与同步控制器的主要区别在于，它具有存储及自动播放能力。
它首先通过专门的上位机软件将要显示的信息编辑，然后通过串口或其他通讯接口将这些信息发送到控制器，并且存储到控制器的存储器上。
然后控制器再根据命令将这些信息进行自动播放。
异步控制器一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字和简单的图形信息。