基于fpga的led彩屏控制课程设计(编辑修改稿)

基于fpga的led彩屏控制课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

显示面积大、性能稳定、刷新率高等特点。 论文研究内容 本课题研究了全彩色 LED 显示屏的工作原理，设计了一个基于 FPGA 的彩色 LED 点阵显示屏控制器，该控制器以上位机软件播放器中的图片和视频为数据源，在 LED 显示屏上对播放器中的内容进行实时映射。 本课题设计的主要工作如下： 1）设计了 FPGA 控制模块，完成以太网交换控制器的 GMII 接口与 FPGA 之 间的数据通信，并实现数据存储控制、数据处理、扫描控制 等功能。 2）完成 5 种以上的彩色 LED屏内置刷屏程序。 3）实现彩色 LED 屏控制器的控制时序分析，实现同步视频信号的数据显示。 LED 器件基本原理及相关知识 发光二级管特性 发光二极管，英文全称是 Light Emitting Diode，简称 LED，是一种能将电能转化成光能的器件，当有正向电流通过时，会产生发光现象 [32]，如图 21 所示。 图 21 发光二极管 用于描述 LED 特性的参 数有许多，这些参数之间为非线性关系。 因此，可用特性曲线来描述这种关系。 下面就针对其主要的特性曲线作简单的介绍： (1)发光强度 I 与正向电流 If 的关系曲线 图 22 LED 发光强度与正向电流的关系 图 22 LED 发光强度与正向电流的关系 图 22 中描述了由三种不同半导体材料制成的黄、绿、红 LED 器件的 Iv 和 If的关系曲线，这三种材料分别是： AGaAsP(N)、 BGaP（ N)和 CGaP(ZnO)。 从图中可知看， Iv 是随着 If的增加而增加的 ，但变化的规律有所不同。 (2)LED 器件的伏安特性 流过 LED 器件的电流和加在 LED 上的电压之间的关系称为伏安特性，如图23 所示图中描述了 A、 B 两个器件的正向伏安特性曲线， LED 器件与普通二极管在伏安特性上基本上相似，略微不同的是 LED 器件开始导通的正向电压较大，大概在 ~ 之间，这是由不同的半导体材料来决定的 [33]。 图 23 发光二极管正向伏安特性 LED 器件的驱动方式 从 LED 器件的发光原理可知，当正向电压加在 LED 的两端时，通过器件的电流会使其发光。 所以使得 LED 的 PN 结处于正向偏置状态就能实现 LED 的驱动，同时可以通过调节通过它的正向电流的大小来达到调节其发光强度的目的。 通常驱动 LED 器件有四种方式：直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动 [34]。 (1)直流驱动 直流驱动在实现上很容易，将电源电压 VCC、电阻 R 与 LED 器件三者串联组成回路，由电阻 R 与 LED 器件的伏安特性一起决定 LED 的工作点，这种驱动方式适用于 LED 器件 较少且发光强度恒定的情况下 [35]。 公交车上的显示公交路线字样的显示器就是采用这种方法。 (2)恒流驱动 LED 器件的正向特性较陡，加上器件存在一定的分散性，即使加在不同 LED上的电源电压和限流电阻相同，流过这些 LED 的正向电流也存在差异，这便引起了发光强度的不同。 用恒流来驱动 LED 器件时，相同的恒流值将产生相同的发光强度 [36]。 由于晶体管的恒流输出特性，因此可用其驱动 LED，如图 24。 图 24 用晶体管对 LED 器件 恒流驱动 (3)脉冲驱动 脉冲驱动是指采用重复通电断电的方法使 LED 器件点亮。 脉冲驱动的方法主要有以下两种：扫描驱动和占空比驱动。 扫描驱动能够减少驱动电路，使整个电路不会过于复杂。 但在应用扫描驱动方式时需要注意以下两点：确定好脉冲对应的电流幅值和选择好重复扫描频率。 如果要与直流驱动方式获得同样的发光强度，那么脉冲驱动电流的平均值 Ia 就要等于直流驱动的电流值。 如图 25 所示，如果要计算平均电流 Ia，则需对瞬时电流 i 在时间上积分，对于图中的矩形波来说，则有以下表达式 ()Ta OI I t idt  公式（ 21） onaFtII T  公式（ 22） 公式（ 22）中的 ton/T 其实就是占空比，如果要平均电流 Ia 等于直流驱动电流 IF，则脉冲电流幅值就要满足公式（ 23）。 F a Oon onTTI I I          公式（ 23） 图 25 脉冲驱动 由此可知在使用脉冲驱动方式时，脉冲电流的幅值 IF 必须是直流驱动电流 Io的 T/ton 倍。 对于选择脉冲重复频率，由于视觉暂留特性要求脉冲重复频率必须高于 24Hz，这样才不会产生闪烁现象。 除了扫描驱动外，脉冲驱动还可以采用占空比驱动的方式，现以灰度等级为256，简单介绍一下如何利用脉冲占空比方式来驱动 LED。 把显示时间分成 256 个等分，如图 26 所示。 高电平是指 LED 被点亮 ，这就形成了 255 个不同宽度的脉冲 (占空比 )，它对应着 LED 的 256 个亮度阶梯即 256 个灰度等级 [37]。 在一个扫描周期内，占空比为 1 时指的是完全点亮即对应 256 级灰度；完全熄灭时，此时占空比为 0，对应于 0 级灰度。 不同的灰度级使得 LED 点亮的时间也不相同，而且灰度级会随对应的点亮时间增长而增加，平均亮度则越大。 图 26 不同占空比与 256 级灰度的对应关系 占空比控制可分为消隐电平控制方式和非消隐电平控制方式，下面来具体分析两种方式的可行性，若灰度数据位深 G 为 10 位，帧扫描频率 VF 为 60Hz，显示屏列数 M 为 256，每个扫描块行数 H 为 16。 非消隐电平控制方式是指在显示屏的扫描周期内二极管一直都处于工作状态，此种方式控制的 LED 显示屏发光效率最高接近 100%。 LED 显示屏的灰度数据是按位进行扫描的，每次传输扫描的仅仅是十比特数据中的一比特，并且每位数据都具有不同的占空比。 LED 显示屏每一行的灰度数据的 D0 至 D9 比特代表的显示时间分别为 t、 2t、 4t、 8t、 16t、 32t、 64t、 128t、 256t、 512t，其中 t=Hc/1023（ Hc 为平均行扫描周期 )，当 10bits 数据全部扫描显示完成时，就实现了非消隐电平灰度控制过程[38]。 由于 LED 显示屏每个扫描块的 16 行是串行扫描的，当一行数据显示的时候，就要把下一行的灰度数据锁存到扫描电路的存储寄存器内，因此当扫描 D0 比特数据 时 ， 每 一 行 数 据 的 锁 存 时 间 仅 为 t。 此 时 灰 度 数 据 的 移 位 频 率 f=VF H 1023 M=，如此高的移位频率采用常规的设计 方法是难于实现的，除非采用大规模的专用扫描芯片，但是这样将会极大地增加电路设计的难度和成本。 为了改进非消隐电平控制方式，降低灰度数据的移位频率，采用在灰度控制过程中引入了消隐电平的方法。 所谓消隐电平就是控制发光二极管工作状态的电平，当消隐电平有效时发光二极管不工作。 下面将讨论基于等分周期的消隐电平控制方式，若灰度数据位深为 10，则将显示屏的帧周期 Vc 均分为 10 等份，即每比特数据的扫描周期 Dc=Vc/10，此时行扫描周期 He 为 Vc/(10H)，每帧图像重复扫描 10 次实 现灰度等级。 LED 显示屏每一行的灰度数据的 D0 至 D9 比特所代表的工作时间分别为 t、 2t,、4t、 8t、 16t、 32t、 64t、 128t、 256t、 512t，其中 t=Hc/1023，当 LED 显示屏扫描每行灰度数据的 D0 至 D9 比特时，分别在扫描时间内引入时长为 1022t、1021t、 1019t、 1015t、 1007t、 991t、 959t、 895t、 767t、 511t 的消隐电平，当消隐电平在扫描周期内变低时发光二极管处于不工作状态。 由于每一比特灰度数据的行扫描周期均为 Vc/(10H)，则所有行数据的准备时间也都为 Vc/(10H)，所以列数据的移位频率 f 也都是完全相等的， f=VF H 10 M= MHz，与非消隐电平控制方式相比列数据移位频率降低了约 100 倍，降低。 当某行某个像素点的灰度数据的 D0 至 D9 比特全部都为 1 时，在等分周期消隐电平控制方式下该点的灰度数据的工作时间为(1+2+4+8+16+32+64+128+256+512)Hc/1023=Vc/(10H)。 然而在同样的情况下，当 LED 显示系统工作在非消隐电平控制方式时该像素点的灰度数据工作时间 却为(1+2+4+8+16+32+64+128+256+512)Hc/1023=。