1、上海交通大学硕士学位论文基于FPGA的全彩色LED同步显示屏控制系统的设计姓名：俞彬杰申请学位级别：硕士专业：嵌入式系统设计指导教师：路林吉20080101上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 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它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：俞彬杰 日期：2008 年 1月 29 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学 学位
2、论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：俞彬杰 指导教师签名：路林吉 日期：2008 年 1月 29 日 日期：2008 年 1月 29 日 上海交通大学硕士学位论文 1基于FPGA的全彩色LED同步显示屏控制系统的设计 摘要 LED显示屏作为
3、一项高新科技产品正引起人们的高度重视，它以其动态范围广，亮度高，寿命长，工作性能稳定而日渐成为显示媒体中的佼佼者，现已广泛应用于广告、证券、交通、信息发布等各方面，且随着全彩屏显示技术的日益完善，LED显示屏有着广阔的市场前景。 本文主要研究的对象为全彩色LED同步显示屏控制系统，提出了一个系统实现方案，整个系统分三部分组成：DVI解码电路、发送系统以及接收系统。DVI解码模块用于从显卡的DVI口获取视频源数据，经过T.D.M.S.解码恢复出可供LED屏显示的红、绿、蓝共24位像素数据和一些控制信号。发送系统用于将收到的数据流进行缓存，经处理后发送至以太网芯片进行以太网传输。接收系统接收以太网
4、上传来的视频数据流，经过位分离操作后存入SRAM进行缓存，再串行输入至LED显示屏进行扫描显示。然后，从多方面论述了该方案的可行性，仔细推导了LED显示屏各技术参数之间的联系及约束关系。 本课题采用可编程逻辑器件来完成系统功能，可编程逻辑器件具有高集成度、高速度、在线可编程等特点，不仅可以满足高速图像数据处理对速度的要求，而且增加了设计的灵活性，不需修改电路硬件上海交通大学硕士学位论文 2设计，缩短了设计周期，还可以进行在线升级。 关键字：LED显示屏, FPGA, DVI, 以太网, 灰度 上海交通大学硕士学位论文 3DESIGN OF SYNCHRONOUS CONTROL SYSTEM
5、OF FULL COLOR LED DISPLAY BASED ON FPGA ABSTRACT LED panel display, as a new high technology product, has attracted more and more attention. It has some unique advantages of brilliant color, widely dynamic range, high brightness, long lifetime and stable performance and has applied in many occasions
6、 such as advertisement, securities, information dissemination, news issue, etc. With the progress of full-color LED panel display technology, the market of LED panel display has a bright future. The papers research object is full-color LED panel synchronous control system. In this paper, author give
7、s a solution of the system. The whole system includes three parts: DVI decode circuit, transmitting part and receiving part. DVI decode circuit receives data from DVI interface of display card, and decodes it by T.M.D.S protocol, then output RGB data and control signal for LED panel displaying. Tran
8、smitting part receives RGB data, processes it and then transmits to Ethernet. Receiving part receives data from Ethernet, converts it by bit-separate operation and serially output to LED panel for display. In this design, author choose programmable logic device to develop 上海交通大学硕士学位论文 4the system. P
9、rogrammable logic device has advantages of high integration, high speed, ISP, etc. It can meet the requirement of high-speed image data processing, make the design more flexible, shorten design cycle and can upgrade online for future. KEY WORDS: led panel, fpga, dvi, ethernet, gray scale 上海交通大学硕士学位论
10、文 7第一章 绪论 1.1 LED显示屏系统概述 LED 显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。 1.1.1 LED显示屏发展回顾11990 年以前是 LED 显示屏的成长形成时期。一方面，受 LED 材料器件的限制，LED 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的 LED 显示屏在国外应用较
11、广，国内很少，产品以红、绿双基色为主，控制方式为通讯控制，灰度等级为单点 4 级调灰，产品的成本比较高。 19901995 年，这一阶段是 LED 显示屏迅速发展的时期。进入二十世纪九十年代，全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，LED 显示屏在 LED 材料和控制技术方面也不断出现新的成果。随着电子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术，显示屏灰度等级能实现 16 级灰度和 64 级灰度，显示屏的动态显示效果大大提高。 1995年以后，LED显示屏的发展进入一个总体稳步发展阶段。出现了256级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术
12、等的应用将LED显示屏提到了一个新的台阶。从1999年开始，用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，由于其色彩逼真，图像清晰，随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件的面世，LED价格的大幅降低，是得全彩色LED显示屏应用市场更加广泛。 上海交通大学硕士学位论文 81.1.2 LED显示屏的分类14一、按照显示色彩可把LED显示屏分为三类： 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
13、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。 二、按照控制方式，把显示屏分为两类： 1) 异步显示屏系统 异步方式是指LED屏体本身就具有存储及自动播放的能力，在PC机上编辑好的文字及图片等显示信息和各种控制命令通过串口或其他网络接口传入LED屏控制器，调用预先存放在控制器的各种数据信息，按照要求把接收的指令处理成显示屏需要的点阵数据，显示到显示屏上。 2) 同步显示屏系统 同步显示屏系统能够把计算机屏幕内容实时的映射在LED显示屏上。系统将显卡处理好的显示数据取出来，然后对这些数据做一定的处理送到LED显示
14、屏。 三、从显示驱动方式看，可分为两类 1) 静态显示方式 将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用 0 和 1 表示，若为 0 则表示LED 无电流，即暗状态；若为 1 则表示二极管被点亮。若给每一个发光二极管一个驱动电路，一幅画面输入以后，所有 LED 的状态保持到下一幅画面，我们称之为静态显示方式。 2) 动态显示方式 若对一幅画面进行分割，对组成画面的各部分分别显示则是动态显示方式。上海交通大学硕士学位论文 9该方法的原理利用了人眼对物体的视觉延迟来达到所有 LED 的同时显示，实际上，在每一个时刻，只有一组 LED 是处于显示的状态，而其他 LED 组均为关闭状态。很明显，对于静态显示
15、方式，随着大屏的尺寸和分辨率的增加，所需的译码驱动装置就越多，引线也多而复杂，成本就越高，其可靠性也就更低。故当LED 数量较少时可选用静态显示方式。而动态显示方式，则可避免上述问题。但设计上如果处理不当，易造成亮度低，闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现，又要保证图像稳定，无闪烁。本设计采用的是行扫描，列控制的动态显示方式。 1.1.3 LED显示屏的发展趋势 现代信息社会中，作为人机视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，二十一世纪将是平板显示的时代，LED 显示屏作为平板显示的主要产品之一无疑会有更大的发展，有可能成为二十一世纪大屏幕平板显示的代表性主流产品。 随着LED器件
16、材料性能的不断提高，全彩色显示屏成为LED显示屏行业新的增长点。因为全彩屏图像美观、大方，而且随着技术的进步，显示屏体的亮度会做的越来越高，色彩级别越来越多，视觉效果有很大的提高，而价格会进一步下降，这些都导致全彩屏有着广阔的发展趋势。 1.2 计算机图像显示技术相关知识介绍25本课题用到了计算机图像显示技术方面的一些基本知识，下面对它们的概 念作一下介绍。 1) 分辨率 分辨率就是屏幕图像的密度，我们可以把它想象成是一个大型的棋盘，而分辨率的表示方式就是每一条水平线上面的点的数目乘上水平线的数目。以640480的分辨率来说，即每一条线上包含有640个像素点且共有480条线，也就是说扫描列数为
17、640列，行数为480行。分辨率越高，屏幕上所能呈现的图像也就越精细。分辨率不仅与显示尺寸有关，还要受显像管点距、视频带宽等因素的影响。知道分辨率、点距、和最大显示宽度就能得出像素值。比如一台17英寸的CRT显示器，一行中能容纳1421组三原色，能满足1280个像素点的需要，上海交通大学硕士学位论文 10因此这台显示器的理想分辨率是1024768，勉强可以达到12801024的分辨率，但不可能达到16001200的分辨率。分辨率的计算方法如下：最大显示宽度/水平点距=像素数，比如标准17英寸CRT显示器的最大显示宽度是320mm，标称点距是0.28mm，那么首先按0.280.866=0.243
18、的公式计算出水平点距，然后按320/0.243=1316的公式得出像素数。 2) 刷新率 刷新率就是指显示屏幕刷新的速度，它的单位是Hz赫玆。刷新频率越低，图像闪烁和抖动的就越厉害，眼睛疲劳得就越快。刷新频率越高，图像显示自然就越自然清晰，一般来说，如能达到80Hz以上的刷新频率就可完全消除图像闪烁和抖动感，眼睛也不会太容易疲劳，在千年这是对显示器最基本的要求了。 水平刷新率，又叫行频（Horizontal scanning frequency），它是显示器秒钟内扫描水平线的次数，它的单位是KHz。 垂直刷新率，又叫场频（Vertical scanning frequency），单位是MHz，
19、它是由水平刷新率和屏幕分辨率所决定的，垂直刷新率表示屏幕的图像每秒种重绘多少次，也就是指每秒钟屏幕刷新的次数。 3) 带宽 宽的带宽能处理的频率更高，图像质量自然也更好。专业的显示器和一般应用的显示器其带宽的差距是很巨大的，带宽越高，显示器的价格也越贵，这就是有些小牌子显示器不愿标出带宽标准的原因。一般来说，可接受带宽的我们的简单公式为：可接受带宽水平分辨率X垂直分辨率X最大刷新频率X1.5。例如，一台显示器它支持800X600X85Hz，那么它的带宽就是80060085Hz1.561.2MHz；另一台显示器它支持102476860Hz，那么它的带宽就是102476885Hz1.5100.2M
20、Hz。而一些高水准显示器的带宽更是高达300MHz以上。 4) 行消隐 显示器的扫描电路分为行扫描和场扫描，CRT 工作的时候，行扫描即从左到右扫描一行，然后再快速回到左边，这就是行回扫，此时 RGB的亮度通道被强制消隐了，也就是所谓的行消隐，在行回扫结束后，亮度通道恢复工作，然后再开始扫描第二行。 5) 场消隐 上海交通大学硕士学位论文 11场扫描和行扫描是同时进行的。场扫描就是从屏幕左上角往右下角扫描，同样场扫描也包括了逆程，也就是场回扫，此时亮度信号同样是被消隐的。直到扫描线回到了屏幕最上端的初始位置，再开始第二场。正因为存在着消隐，所以说视频通道实际上并不是一直在传输图像，在一帧图像中
21、，消隐时间要占据总体扫描时间的相当比例。 1.3 FPGA及开发工具介绍 1.3.1 FPGA芯片介绍1619一、FPGA概述 现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）同属于近年来发展迅速的可编程专用集成电路（ASIC）。它们都是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，FPGA/CPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块IC芯片。这样的FPGA/CPLD实际上就是一个子系统部件，这种芯片具有可编程性和实现方案容易改动的特点。FPGA/CPLD的使用，使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性，
22、而FPGA器件的现场可编程技术和CPLD的在系统可编程技术使可编程器件在使用上更为方便，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。 二、FPGA结构与原理 现场可编程门阵列（FPGA）的电路结构是由若干独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需要设计的数字系统。基于查找表（LUT）的FPGA结构为现在主流的FPGA结构。FPGA结构一般由三个部分组成：可配置逻辑功能模块（CLB），输入输出模块（IOB），可编程内部互连资源（PI）。 查找表LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线161的RAM。当用户
23、通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的结果，并把结果事先写入RAM。这样，每输入一个信号逻辑运算就等于输入一个地址上海交通大学硕士学位论文 12进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。 1.3.2 硬件描述语言1718一、硬件描述语言概述 在计算机辅助电子系统设计出现以前，人们一直采用传统的硬件电路设计方法来设计系统的硬件，这是一种自下至上的设计方法。随着 ASIC 的开发和研制，为了提高开发的效率，增加已有开发成果的可继承性以及缩短开发时间，各 ASIC 研制和生产厂家相继开发了用于各自目的的硬件描述语言。所谓硬件描述语言，就是可以描述硬件电路的
24、功能，信号连接关系及定时关系的语言。其中最有代表性的是美国国防部开发的 VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）语言和 Gateway Design Automation 公司开发的 Verilog HDL 语言。 与传统的基于电路原理图的设计方法相比，使用硬件描述语言（HDL）进行设计具有许多优点： (1) 通过使用 HDL，设计者可以在非常抽象的层次上对电路进行描述。 (2) 通过使用 HDL，设计者可以在设计周期的早期对电路的功能进行验证。设计者可以很容易地对 RTL 描述进行优化和修改，
25、满足电路功能的要求。由于能够在设计初期发现和排除绝大多数设计错误，因此大大降低了在设计后期的门级网表或物理版图上出现错误的可能性，避免了设计过程的反复，显著地缩短了设计周期。 (3) 使用 HDL 进行设计类似于编写计算机程序，带有文字注释的源程序非常便于开发和修改。与门级电路原理图相比，这种设计表达方式能够对电路进行更加简明扼要的描述。基于 HDL 语言的设计方法是不可动摇的。随着数字电路复杂性的不断增加以及 EDA 工具的日益成熟，基于硬件描述语言的设计方法已经成为大型数字电路设计的主流。没有一个数字电路设计师能承担无视这种新设计方法所付出的代价。 二、Verilog HDL 1) Ver
26、ilog HDL概述 Verilog HDL语言最初是于1983年由Gateway Design Automation公司为其模上海交通大学硕士学位论文 13拟器产品开发的硬件建模语言。Verilog语言于1995年成为IEEE标准，称为IEEE Std 13641995。2001年颁布了Verilog HDL13632001标准。 Verilog HDL这种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门和完整的数字电子系统之间。数字系统能够按层次描述，并可在相同描述种显式地进行时序建模，是目前应用最广泛地一种硬件描述语言
27、。 Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰地模拟、仿真语义，它还从C编程语言中继承了多种操作符和结构。Verilog HDL语言地核心子集非常易于学习和使用，对大多数建模应用来说已经足够。 2) Verilog HDL和VHDL的比较 Verilog HDL和VHDL都是用于逻辑设计的硬件描述语言，并且都已成为IEEE标准。 Verilog HDL和VHDL作为硬件描述电路设计的语言，有共同的特点：能形式化地抽象表示电路的行为和结构，支持逻辑设计中层次与范围的描述；可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述；具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性；支持电路
28、描述由高层到低层的综合转换硬件描述与实现工艺无关；便于文档管理易于理解和设计重用。 但是Verilog HDL和VHDL又有各自的特点：Verilog HDL拥有更广泛的设计群体，成熟的资源也比VHDL丰富。与VHDL相比，Verilog HDL最大的优点在于它是一种非常容易掌握的硬件描述语言，只要有C语言的编程基础，较短时间就能掌握这种设计技术。而掌握VHDL就比较困难，因为VHDL不是很直观，需要有Ada编程基础。目前版本的Verilog HDL在系统级抽象方面比VHDL略差一些，而在门级开关电路描述方面比VHDL强得多。 三、Quartus II Quartus是Altera公司推出的一
29、款FPGA开发工具，它提供了一种与结构无关的设计环境，它使Altera 通用 PLD 系列设计者能方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。使用 Quartus，设计者无需精通器件内部的复杂结构，只需运用自己熟悉的输入工具（如原理图输入或高级行为语言）进行设计，通过 Quartus把这些设计转换成最终结构所需要的格式。由于有关结构的详细知识上海交通大学硕士学位论文 14已装入开发工具，因此设计速度非常快。设计人员在很短的时间内就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。Quartus设计软件具有先进的功能，它可以提高系统性能，扩展系统功能，轻松处理潜在的设计延时，实现布局布线之后
30、的设计改变等。它拥有现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)设计的所有阶段的解决方案。而且 2004 年推出的 Quartus4.0 还增加了许多新功能，如可以很方便的与以往的 MAX+PLUS设计环境相切换，支持几种新的 FPGA 器件系列，包括 Cyclone 系列。 1.4 课题来源、意义及主要研究内容 1.4.1 课题来源 课题来源于上海交通大学与苏州金牛电子有限公司的合作开发项目“全彩色LED显示屏控制系统”。 1.4.2 课题意义 LED显示屏由于其亮度高、画面清晰、色彩鲜艳等特点，决定了它作为公众多媒体显示产品，有着其他平板显示（如背投电视、等离子、液晶、电视
31、墙等）无法比拟的优势。在国内外市场上被广泛应用，并在不断拓展用途，市场前景巨大。 全彩LED显示屏是今后LED显示屏发展的趋势，随着视频信号处理技术的发展，LED彩屏显示效果将不断提高，这也促使了人们对LED全彩屏的关注。 本课题采用的基于FPGA来开发LED显示屏控制系统的是一种灵活的控制器设计方向。随着经济的高速发展，显示屏的更新换代会加速，如果全套淘汰将会形成浪费，大大增加成本，但是采用这种FPGA方式，将可以通过更改FPGA内部硬件逻辑达到升级，能利用网络把硬件逻辑下载到控制器上，实现在线升级，这样就大大增加了灵活性，为日后的系统升级提供了方便。 1.4.3 论文研究内容 本课题重点在
32、于研究全彩色LED显示屏的基本工作原理，并以DVI为数据上海交通大学硕士学位论文 15源，设计一个256级灰度的全彩色LED控制系统。主要工作如下： 1) 提出一种切实可行的全彩色LED显示屏控制系统的设计方案。 2) 完成控制系统的电路设计。 3) 完成系统中FPGA的编程、仿真及调试。 上海交通大学硕士学位论文 16第二章 系统总体设计 2.1 设计要求 本次设计的对象是一块320128的全彩色LED显示屏控制系统，该系统具有如下功能： 1) LED显示屏可以作为计算机的终端显示设备，对PC显示器上的内容进行实时映射。可播放文字、图象、视频等。LED显示屏对应PC显示器上指定范围内（上位机
33、窗口内）320128象素上的内容。 2) LED显示屏距离PC机较远，即可进行远程显示和控制。 2.2 视频源获取 电脑主机后面有着不同样式的接口，随着显示器技术的不断进步，显示器的接口标准也在不断变化。LED 大屏幕系统主要由 PC 机、LED 控制芯片、LED 驱动电路、发光二极管等组成。其工作原理是 PC 机作为上位机将 LED大屏幕上要显示的多媒体信息及控制信息通过 PC 机的某个接口传送到 LED显示屏的控制器中，经过控制器的转换处理产生 LED 大屏所需要的行列信号，并送到驱动电路，实现对发光二极管状态的控制，从而将 CRT 上显示的图像在 LED 屏上显示出来。 LED 显示屏从
34、 PC 机获得数据源的路径比较常用的是通过VGA接口和 DVI接口。 2.2.1 VGA接口4VGA（Video Graphic Array）接口，即视频图形阵列，也叫D-Sub接口，是15针的梯形插头，分成3排，每排5个，传输模拟信号。VGA接口采用非对称分布的15针连接方式，它的信号定义如下：1，2，3脚为红、绿、蓝模拟信号输出端；6，7，8 脚为红、绿、蓝模拟信号的地；13，14 脚为行、场同步信号；10 脚为数字地，如图2.1所示。 上海交通大学硕士学位论文 17图2.1 VGA口 Figure 2.1 VGA Interface 计算机内部以数字方式生成的显示图像信息，被显卡中的 D
35、/A（数字/模拟）转换器转变为 R、G、B 三原色信号和行、场同步信号。信号通过电缆传输到显示设备中，对于模拟显示设备，如模拟 CRT 显示器，信号被直接送到相应的处理电路，驱动控制显像管生成图像。而对于 LCD、LED 等数字显示设备，需要在显示设备中配置相应的 A/D（模拟/数字）转换器，将模拟信号再转变为数字信号。这样，经过 D/A 和 A/D 两次转换后，不可避免地造成了一些图像细节的损失。 2.2.2 DVI接口13DVI（Digital Visual Interface）接口，即数字视频接口。它是1999年由Silicon Image、Intel（英特尔）、Compaq（康柏）、I
36、BM、HP（惠普）、NEC、Fujitsu（富士通）等公司共同组成DDWG（Digital Display Working Group，数字显示工作组）推出的接口标准。它是以Silicon Image公司的PanalLink接口技术为基础，基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将象素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。一个DVI显示系统包括一个传送器和一个接
37、收器。传送器是信号的来源，可以内建在显卡芯片中，也可以以附加芯片的形式出现在显卡PCB上；而接收器则是显示器上的一块电路，它可以接受数字信号，将其解码并传递到数字显示电路中，通过这两者，显卡发出的信号成为显示器上的图象。 目前的DVI接口分为两种，一个是DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号，如图2.2所示。另外一种则是DVI-I接口，如图2.3所示，可同时兼容模拟和数上海交通大学硕士学位论文 18字信号。兼容模拟幸好并不意味着模拟信号的接口D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这
38、种接口的显卡都会带有相关的转换接头。 DVI-D接口引脚定义如下： 引脚 信号 引脚 信号 引脚 信号 1 D2- 9 D1- 17 D0- 2 D2+ 10 D1+ 18 D0+ 3 屏蔽 11 屏蔽 19 屏蔽 4 D4- 12 D3- 20 D5- 5 D4+ 13 D3+ 21 D5+ 6 DDC SCL 14 +5V 22 屏蔽 7 DDC SDA 15 地 23 时钟 8 保留 16 热插拔检测24 时钟 DVI-I接口引脚定义： 引脚 信号 引脚 信号 引脚 信号 1 D2- 9 D1- 17 D0- 2 D2+ 10 D1+ 18 D0+ 3 屏蔽 11 屏蔽 19 屏蔽 4
39、D4- 12 D3- 20 D5- 5 D4+ 13 D3+ 21 D5+ 6 DDC SCL 14 +5V 22 屏蔽 7 DDC SDA 15 地 23 时钟 8 场同步 16 热插拔检测24 时钟 图2.2 DVI-D接口 Figure 2.2 DVI-D Interface图2.3 DVI-I接口 Figure 2.3 DVI-I Interface 上海交通大学硕士学位论文 19C1 模拟红 C2 模拟绿 C3 模拟蓝 C4 行同步 C5 模拟地 DVI接口与传统VGA接口相比，有以下几大优点： 1) 减少了D/A、A/D转换过程，避免了图象细节的丢失，从而保证了视频图象的完整性。
40、2) DVI数字接口具有传输速度快、抗干扰能力强等特点。 3) 不存在像素频率与时钟不协调而出现的像素闪烁现象。 鉴于DVI接口的这些优点，本系统采用DVI接口作为LED显示屏的数据源。 2.3 灰度实现3710全彩色LED显示屏的显示原理主要是靠灰度来实现的。LED屏上每个象素都是由红、绿、蓝三种颜色的LED发光二极管组成，每种颜色都可以调制出一定的灰度等级，三原色叠加可显示出各种不同的色彩。如果红、黄、绿各分256级灰度等级，则三种颜色叠加可形成16.7M的色彩，即实现真彩色。 从 LED 器件的发光机理可以知道，当向 LED 器件施加正向电压时，流过器件的正向电流使其发光。因此 LED
41、的驱动就是如何使它的 PN 结处于正偏置，而且还要控制它的发光强度。 LED 灰度的控制通常有两种方法：电流控制法和脉冲占空比控制法。 电流控制法，是通过调节 LED 的正向电流得到对亮度的控制。如把 LED 的正向导通电流按一定的步长调节，其发光亮度就可以分为若干个灰度级。但这种方式所需的驱动电路太复杂，可控性小，在实际应用中并不可行。 驱动脉冲占空比控制法，是指 LED 管采用恒流驱动，通过控制单位时间内 LED 的导通时间来实现灰度级。LED 具有快速时间响应特性，最高可达数十兆赫兹，可以用脉冲方式驱动LED 发光。例如用 1MHz，占空比为 25%，峰值电流为 1A 的脉冲去驱动 LE
42、D，与用 25mA的直流驱动，其发光亮度是一致的。显然，调节驱动脉冲的占空比，可获得不同的灰度级。由此可知，如果用 CRT 图像各像素点的离散图像数据去控制对应 LED 的导通时间，即可获得多灰度级显示图像。由于脉冲占空比控制法比较容易实现，本课题采用此法来实现灰度级。 上海交通大学硕士学位论文 20本课题要实现的为256级灰度，可用8bit二进制数来表示。为方便起见，把显示时间按权重分配，如图2.4所示。T表示显示一个灰度的总时间，t表示在最小周期内这个比特的导通时间，t/T就是这个比特所对应的占空比，由此不难得出，某一灰度值所对应的占空比就是将它各位的值乘上该位占空比权值后相加。 图2.4
43、 数据位与权重对应关系 Figure 2.4 Relationship between data bit and weight 各权值所对应的导通时间受到LED屏刷新率的限制，下面来计算本系统中最小权值所对应的导通时间，用mint表示。则扫描完所有权值的的总时间T的计算式如下： min8min7210)12()2222( ttT =+=“ (2.1) 设LED屏刷新率为LEDF，每一场的扫描时间为LEDT ,则有如下关系式： LEDLEDFTT1= (2.2) 则根据式2.1和式2.2可得： LEDFt1)12(min8 (2.3) 即LEDFt)12(18min(2.4) 上海交通大学硕士学
44、位论文 21LED显示屏刷新率一般为视频源场频的整数倍，即将一场图象重复扫描N遍，以提高刷新率，使图象过渡更为平缓，用DVIF表示DVI接口的场频，则有： NFFDVILED= (2.5) 一般的单色屏的刷新率达到 85Hz，就不会感到闪烁；而全彩屏因为其亮度高、显示面积大，在刷新率为 85Hz 时仍然闪烁，所以在这里可以取DVIF =60，N=2，即 DVI 的输出场频为 60Hz，每场图象扫描两遍，以达到较好的显示效果。 由此可求得ust 33min，可见mint值很小，考虑到读SRAM时间和串行移位时钟频率限制，这种灰度实现方法在实际中无法实现。 我们需要一种新的扫描方法来实现灰度级，首
45、先，给出“消隐”的概念。所谓“消隐”，就是指 LED 管处于关闭状态，一般通过控制行选芯片的使能端来实现。可以控制“消隐”信号，让 LED 管在某个显示周期内只有部分的时间在工作，从而控制 LED 管的亮度，以达到实现灰度级的目的，不过这是以牺牲点亮效率为代价的。 选择一个合适的mint对应一个合适的权重值，把此权重看作1，比此值小的权重为1/2，1/4，1/8等依次类推。对于小于等于1的权重，扫描子场所耗时间为mint，权重表示显示时间，其余时间表示消隐时间，比如1/4权重，显示时间1/4，消隐时间为3/4。对于大于1的权重，其子场扫描时间为mint权重，无消隐。 这种扫描方式的权重公式为：
46、 )1.210(22,.,2,2,2)(1210=nxxKxn， (2.6) 可以按如下方式计算所有权重扫描完的总时间T， mint)12( +=xnxT (2.7) 根据式2.2又有， +mint)12(xnxNFDVI1(2.8) 上海交通大学硕士学位论文 22得， )12(1min+xnDVIxNFt (2.9) 这里取x4，n8(256级灰度)，求得mint 438us，这个值可满足实际需要，会在以后章节中作详细论证。 2.4 系统总体框架 根据系统设计要求，要把PC显示器上某一区域的内容实时地映射到LED显示屏上，即只要把PC显示器上那个区域的每个象素实时映射到LED显示屏上的相应象
47、素。LED显示屏的每个象素由红、绿、蓝三种发光二极管的点阵组成，根据三基色原理，只要把计算机屏幕上每一点的图像分解成数字的红、绿、蓝三种信号，传递到LED屏幕上的点阵单元中，分别驱动相对颜色的发光二极管，这样就实现了PC显示器屏幕到LED显示屏的映射。 由于设计要求需要进行远程显示与控制，因此需要一个信号传输的过程。本系统设计的LED屏体分辨率为320128，每个象素点24bit，数据源端每秒刷新60次，则一秒内需要传输的数据量为320128246056.25Mbits，数据量非常大，因而选用100M以太网来进行传输，既满足了传输速率，而且从传输距离来看，不加中继情况下单线可传输100米，用中
48、继或直接用光纤传输，可大大提高传输距离，因而可以满足设计要求。 图2.5 系统总体框图 Figure 2.5 General graphic of system 接收系统 发送系统 远程传输显卡DVI口数据 FPGA RAM RAM DVI解码电路以太网发送以太网接收FPGARAMRAM LED显示模块 LED显示屏 上海交通大学硕士学位论文 23LED显示屏控制系统的总体框图如图2.5所示，整个系统可分成以下三个部分：DVI解码电路，发送系统，接收系统。 1) DVI解码电路 此模块用来获取视频源数据，接收显卡DVI口过来的T.M.D.S.编码数据，通过T.M.D.S.解码，恢复出RGB视频
49、数据和控制信号。 2) 发送系统 此模块完成RGB视频数据的采集和发送过程。 经DVI解码电路后的RGB视频数据和控制信号传送到发送系统，发送系统根据控制信号采集到一帧数据，并将视频数据写入数据存储器RAM进行缓存。为提高系统速度，采用两块RAM存储器以乒乓方式工作，即当FPGA向一块RAM写一帧数据的同时，FPGA对另一块RAM进行读操作，当处理下一帧时进行转换，对上次已写入数据的RAM进行读取，而对上次进行读取的RAM进行写入，通过这种并发的执行来实现数据的快速读写。 FPGA把从RAM读取的数据，按照LED屏的级联方式进行分包，通过以太网芯片发送出去。 3) 接收系统 在接收系统中，FPGA通过以太网芯片接收发送系统传送的视频数据，存入数据存储器RAM中，这里同样有两块RAM以乒乓方式工作。FPGA从RAM读取显示数据，并对显示数据按照灰度级八个子场进行组织、转换，配合移位串行时钟送入LED显示屏进行显示。 2.5 本章小结 本章提出了系统的设计目
