分場分區(qū)存儲技術的原理及應用介紹

1 引 言

LED視頻顯示屏由于亮度高、視角廣、壽命長、性價比高，而且具有可與計算機同步顯示各種文字、圖形、圖像，可實時播放電視、錄像、影碟等視頻信號，可即時輸入、編輯各種多媒體數(shù)據(jù)等優(yōu)點，使其在街頭、廣場、商業(yè)中心、運動場所、娛樂場所、控制中心許多公共場合得到了廣泛的應用。但是由于技術的問題，特大視頻顯示屏還面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在灰度級低，亮度損失嚴重，刷新速度低。另外，本文的視頻信號源來自DVI(Digital Video InteRFace)接口，DVI接口輸出的為數(shù)字視頻信號，信息量大，一般是先經(jīng)過外部RAM(Random Array Memory)緩存，然后由處理器對視頻信號進行處理。可用于數(shù)字圖像存儲的外部存儲器有很多種，如SRAM，DRAM和SDRAM，它們的容量和速度各不相同。DRAM和SDRAM屬于動態(tài)存儲器，容量大，使用中需要刷新，當處理器沒有外部動態(tài)RAM接口時，就需要設計刷新電路，這給系統(tǒng)應用帶來不便；SRAM不用刷新，不需要專用接口，實時性好，并且可以進行跳地址尋址，所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲器。采用分場分區(qū)存儲技術，使刷新頻率大為提高，圖像顯示效果清晰穩(wěn)定，實現(xiàn)了分辨率800×256，刷新頻率90 Hz，紅綠藍三色256×256×256灰度級的視頻顯示系統(tǒng)。同時，采用該技術，亮度和灰度級方便可調，亮度損失小。

2 系統(tǒng)組成

LED視頻顯示系統(tǒng)總體框圖如圖1所示：該系統(tǒng)由發(fā)送和接收兩部分組成，發(fā)送部分的功能主要是對DVI接口傳輸?shù)囊曨l信號進行編解碼形成24 b真彩色視頻數(shù)據(jù)和點時鐘(CLK)，行同步信號(HS)，場同步信號(VS)，數(shù)據(jù)有效信號(DE)等控制信號，通過LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸?shù)浇邮湛ㄉ?，?jīng)過接收卡的數(shù)據(jù)處理傳送給具有特定驅動結構(1／8掃描方式，74HC595驅動芯片)韻LED大屏。本文的重點是介紹接收卡的數(shù)據(jù)處理模塊。

3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示：接收卡接收發(fā)送卡傳輸過來的視頻信號(控制信號和數(shù)據(jù)信號)，將視頻信號中的數(shù)據(jù)經(jīng)過位面分離，分場存入外部緩存，然后分區(qū)讀出，傳送給顯示驅動屏。其中位面分離模塊將不同數(shù)據(jù)的同權位重新組合成新的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中。外部緩存采用兩個SRAM乒乓緩存的技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流水線處理。下面分別介紹位面分離模塊和分場分區(qū)存儲的原理和實現(xiàn)。

3.1 位面分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級控制方式為分場疊加與占空比相結合的方式，如表1所示：其中分場疊加是指用不同場次的恒頻掃描來實現(xiàn)不同灰度級，如表1 的D7～D4；占空比控制是指控制點亮時間與關斷時間的占空比來實現(xiàn)灰度的調節(jié)，如表1的D3～D0。而這兩種方式的前提都是要實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的位面分離。位面分離用FPGA來實現(xiàn)，一共包括兩大模塊，數(shù)據(jù)移位寄存器和數(shù)據(jù)選擇器。用VHDL實現(xiàn)的原理框圖如圖3所示，其中r0-7，g0-7，b0-7分別是真彩色圖像數(shù)據(jù)的紅綠藍三色，分別占用一個字節(jié)。把這24位數(shù)據(jù)線分別通過一個8位寬數(shù)據(jù)移位寄存器寄存，然后通過一個顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過控制緩存器的地址實現(xiàn)位面分離，外部緩存的數(shù)據(jù)寬度為24位，使RGB三種顏色并行進行位面分離。其中移位寄存器使用了流水線的技術，在鎖存輸出前8個數(shù)據(jù)的同權位的同時，移進第9個數(shù)據(jù)的同權位，這樣提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

3.2 分場分區(qū)存儲

數(shù)據(jù)經(jīng)過位面分離以后，不同數(shù)據(jù)的同權位組成了新的數(shù)據(jù)，通過控制存儲器的地址使一幀所有數(shù)據(jù)的同權位寫在存儲器的同一段中，因此對寫地址發(fā)生器要求比較高。該系統(tǒng)要求256級灰度，那么將存儲器分成8個段，每個段存儲代表同一個權值的位(場)。其中，8個段用3(23)根地址線來代替，分辨率為800*256的大屏有256行，800列，那么行地址用8(28)根地址線表示，這8根地址線前5位為區(qū)地址(32區(qū))，后3位為一個區(qū)的行地址 (1／8掃描)。列地址用7(27)根地址線來表示，因為存儲器為24位寬，一個存儲單元代表LED顯示屏8個RGB點的同權位，其優(yōu)先級從高到底的順序為：場地址>列地址>行地址。分別用計數(shù)器來實現(xiàn)，這三個計數(shù)器級聯(lián)就構成了存儲器的寫地址，其連接方式為：場地址(A17～A15)，區(qū)地址(A14～A10)，區(qū)內(nèi)行地址(A9～A7)，列地址(A6～A0)。由此可見，通過改變存儲器地址線的優(yōu)先級可實現(xiàn)分場(8場)存儲。

數(shù)據(jù)分8場寫入存儲器，讀出時要求分19場讀出，并且要控制每一場的顯示時間。所以在產(chǎn)生讀地址的場地址計數(shù)器的時候，先設計一個19進制的計數(shù)器counter19(0～18)。表2為counter19和場地址計數(shù)器的關系：每一場的顯示時間是用比較器來實現(xiàn)的，可以通過改變比較器中的值靈活地校正灰度和亮度。

LED顯示屏要求32區(qū)同時點亮，采用數(shù)據(jù)的并行處理，降低硬件消耗和系統(tǒng)工作頻率。提高刷新頻率。由于存儲器每次只能讀出一個數(shù)據(jù)，所以必須采用分區(qū)鎖存，然后把32區(qū)數(shù)據(jù)并行輸出。

行地址和列地址同寫地址發(fā)生器原理相同，這里主要介紹一下它們的優(yōu)先級。數(shù)據(jù)已經(jīng)是位面分離的，所以要想實現(xiàn)32區(qū)數(shù)據(jù)同時顯示，那么區(qū)地址的優(yōu)先級應為最高，其次是列地址，然后是行地址，最后是場地址。與存儲器連接方式同寫地址一樣。