基于FPGA的LED大屏幕控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

相比于液晶顯示、投影顯示等其他大屏幕顯示技術(shù)，LED顯示技術(shù)有其獨特的優(yōu)越性：高亮度、寬可視角度、豐富的色彩以及可定制的屏幕形狀。這些特點使得LED顯示屏被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)廣告、信息發(fā)布、體育比賽等各個領(lǐng)域。
LED大屏幕控制系統(tǒng)是一個融合計算機控制技術(shù)、視頻技術(shù)、光電子技術(shù)、通信技術(shù)的綜合系統(tǒng)。當(dāng)前主流的LED大屏幕控制系統(tǒng)多以FPGA或FPGA結(jié)合其他芯片為主控芯片。目前LED大屏幕正朝著顯示面積更大、顯示亮度更高、顏色更鮮艷的方向發(fā)展。這些都給LED大屏幕控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。
本文基于Altera公司的低成本Cyclone II系列芯片EP2CQ208C設(shè)計了LED大屏幕控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的SDRAM緩存技術(shù)上，提出了優(yōu)化的SDRAM乒乓式緩存技術(shù)并詳細闡述了反γ校正、顏色調(diào)節(jié)、灰度級調(diào)節(jié)等在FPGA中的實現(xiàn)。本系統(tǒng)最終實現(xiàn)了最大1 280×1 024分辨率、最低240 Hz刷新率的超大LED屏幕顯示。同時可以通過PC機上軟件對LED屏幕進行亮度、對比度、灰度級等參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)，得到更加細膩的顯示畫面。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文所設(shè)計的LED大屏幕控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)分為發(fā)送卡和接收卡兩部分。以Altera公司的EP2CQ208C作為主控芯片，DVI數(shù)據(jù)解碼選用了TI公司的TFP201A(最高支持SXGA)，數(shù)據(jù)緩存選用了Samsung的K4S643232C，千兆以太網(wǎng)芯片選用了Realtek公司的RTL8212（雙端口千兆物理層芯片）。

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流分為控制數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)由PC機上的軟件發(fā)出，發(fā)送卡的FPGA接收控制數(shù)據(jù)，判定是控制發(fā)送卡還是控制接收卡的數(shù)據(jù)，如果是控制接收卡，則通過千兆網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收卡。TFP201A從DVI接口解碼出顯示數(shù)據(jù)后由FPGA緩存入SDRAM，然后在讀出數(shù)據(jù)時按照顯示屏要求對數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)作一定調(diào)整后再由RTL8212打包發(fā)送至接收卡，接收卡接收顯示數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動LED顯示屏。
本文主要討論系統(tǒng)中的FPGA部分，包括以下三點：
(1)對SDRAM乒乓式緩存的優(yōu)化；
(2)基于FPGA內(nèi)部RAM與PC機軟件的反γ校正與灰度級變換；
(3)LED顯示屏的亮度、對比度等顏色調(diào)節(jié)在FPGA中的實現(xiàn)。