基于FPGA的高灰度级LED屏控制系统的设计与研究

摘要

在当今这样一个信息技术高速发展的社会，信息的发布、传递变得尤为重要，如何能够及时、逼真、生动地传递信息已经成为人们日益关注的话题。信息发布技术在医院、金融场所、交通场所、体育场馆、大型商场等公共场合都得到了广泛的应用，因此各种信息显示技术也应运而生。其中LED显示技术具有寿命长、亮度高、维护方便、工艺先进等诸多优点，成为近年来发展最迅速、应用最广泛的显示技术。
　　本文将介绍一种基于FPGA的高灰度级 LED显示屏控制系统，FPGA器件具有集成度高、速度快、可在线编程等优点，既满足了视频显示系统对数据处理速度的要求，又增强了设计的灵活性，可以通过在线编程实现系统的升级换代。
　　本文系统地介绍了FPGA的基础概念和LED显示技术的背景知识，明确了FPGA电路设计的优势以及LED显示技术的发展前景。本文的主要研究对象为高灰度级 LED显示屏控制系统，提出了一个基于FPGA的软硬结合的系统实现方案，整个系统分为两部分:DVI解码电路、FPGA数据处理和控制模块。设计 DVI解码电路时通过对灰度数据传输速度的研究，给出了基于TMDS单链路的传输方案，确定传输方案之后，详细描述了DVI解码模块的硬件设计，具体介绍了DVI解码芯片 SiI1161的外围电路设计方案、接地方案以及电源设计方案，最后分析描述了基于DDC2B协议的热插拔单元设计方案。设计 FPGA数据处理和控制模块时，根据自顶向下的设计理念将顶层模块分为γ反矫正模块、位分离重组模块、灰度扫描控制模块和SRAM读写控制模块四个子模块并且分别进行描述。FPGA芯片具有掉电易失性，每次上电之后都必须重新进行配置，本文采用了主动+JTAG的组合方式来配置 FPGA芯片，此种配置方式既能满足系统调试阶段的配置需求又能满足系统定型之后的配置需求。在γ反矫正模块中分析了硬件实现方案的弊端，本系统中将采用查表映射法来实现γ反矫正，实现1024级的灰度等级。软件设计方案具有开放性，能够随着外界环境的变化而及时更行γ反矫正表，具有较强的环境适应能力。因为LED显示屏的灰度扫描是按权重进行的，因此必须对矫正之后的灰度数据进行位分离和重组，在位分离和重组模块中采用了横向存入和纵向读出的实现方案。在灰度扫描控制模块中分析了非等长时间的消隐电平控制方式，由于本系统的扫描频率为60Hz，采用上述的灰度控制方式，将使显示屏出现闪烁的现象，因此本系统提出了一种改进型的非等长时间消隐电平控制方式即脉冲打散灰度控制方案，这种灰度实现方案既能降低系统的扫描频率又能满足系统高灰度等级的要求。为了实现灰度数据的无缝缓冲和读取，本系统采用双存储器交替读写的方案，SRAM读写控制模块又可以分为三个子模块分别是读地址产生模块、写地址产生模块和读写控制模块。读地址产生模块按照颜色和权重来产生灰度数据的读地址，写地址产生模块按照颜色来产生灰度数据的写地址，最终在读写控制模块的控制下输出片外存储器的有效地址、有效数据和有效读写信号。
　　本文分别应用Verilog硬件描述语言对各个子模块进行了软件编程，利用EDA研发工具 Modelsim对各个子模块进行了仿真验证，并且应用QuartusII软件设计顶层模块然后进行了结果验证，表明了本方案的正确性。

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中文摘要

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第一章 绪论

1.1 FPGA 概念简述

1.2 FPGA 基本结构

1.3 FPGA 设计的优点

1.4 FPGA 设计流程

1.5 选题意义及论文内容、难点

1.6 本文的关键技术和研究现状

第二章 LED 显示系统基础理论

2.1 LED 应用技术背景知识

2.2 LED 显示屏的理论基础

2.3 LED 视频显示系统概念

第三章 控制系统的设计框架

3.1 控制系统设计方案

3.2 DVI 视频解码模块

3.3 FPGA 数据处理和控制模块

第四章 DVI 接收模块的设计与研究

4.1 DVI 接口的传输协议

4.2 DVI 接口的引脚分布

4.3 DVI 解码单元的设计与研究

4.4 DVI 热插拔单元设计

第五章 FPGA 数据处理和控制模块的设计与研究

5.1 FPGA 配置电路的设计与研究

5.2 Verilog 语言及设计工具简介

5.3 γ 反矫正模块的设计与研究

5.4 灰度数据重组单元的设计与研究

5.5 灰度控制单元的设计与研究

5.6 SRAM 读写控制模块的设计与研究

5.7 顶层模块的编译验证

第六章 本文的总结和展望

6.1 本文内容的总结

6.2 本文的展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢