基于FPGA的立体LED显示驱动器的设计

高恭娴，鲍安平

（南京信息职业技术学院 电子信息学院，江苏 南京 210046）

1 引言

LED视频显示屏由于亮度高、视角广、寿命长、功耗低、性价比高[1]，而且具有可与计算机同步显示各种文字、图形、图像，可实时播放电视、录像、影碟等视频信号，可即时输入、编辑各种多媒体数据等优点，使其在街头、广场、商业中心、运动场所、娱乐场所、控制中心等许多公共场合得到了广泛的应用。

随着人们对视觉要求的不断提高，如何在LED大屏幕上实现自由立体显示成为急待解决的问题。为此，笔者提出了一种新的解决方案，使得在LED显示屏上实现自由立体显示成为可能，同时还降低了立体真彩LED显示系统的复杂性。

2 系统硬件设计

由自由立体显示原理可知，要实现LED立体显示除了有立体信号源，对外还需要有自由立体LED显示屏和控制系统。由于自由立体显示的一帧画面需要一对图像数据，和现有的LED大屏幕显示器相比，要达到同样的显示规模其显示数据量增加一倍，扫描速度也增加一倍，因此选择Altera的Nois结构。该结构的特点是具有嵌入式系统IP软核，含有很多接口模块，包括可配置高速缓存模块、SDRAM控制器、DMA、定时器、协处理器等。在植入（配置进）FPGA前，用户可根据设计要求，利用QuartusⅡ和SoPC builder，对Nois及外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户设计系统的要求[2]。特有的Avalon总线结构通信接口，使用户可随意配置32/16位总线指令集和数据通道。同时Avalon的流模式结构还能在没有CPU干预的情况下自动按顺序进行数据传输，提高运行速度，因此充分满足自由立体LED显示器对速度的要求。

2.1 LED立体显示屏的设计

自由立体显示是基于双目视差原理实现的，有4种不同格式的图像源，分别是SS格式、TB格式、FS格式和FrS格式。SS格式为左、右视图列交叉显示；TB格式、FS格式为左、右视图行交叉显示；FrS格式为第1帧奇数列、第2帧偶数列列交叉显示。对应4种不同的3D模式，其数据存储方式也有所区别[3]。根据人类的视觉原理和SS格式，本设计的LED自由立体显示屏设计成由特殊排列的红、绿、蓝子像素构成，红、绿、蓝子像素的排列在水平方向上为自左至右均匀间隔排列构成一个水平行，在垂直方向上为红、绿、蓝子像素各构成一个垂直列，同样均匀间隔排列。显示屏上放置一块光栅板，利用该光栅板保证观察者通过光栅左眼只能看到显示单元显示的左眼图像，而右眼只能看到显示单元显示的右眼图像，从而获得不用佩带眼镜就可以观看的自由立体图像，通过FPGA控制器驱动显示自由立体动态图像[4]。

2.2 FPGA结构设计

本系统采用可以在线配置Nios软核的FPGA芯片EP1C6QC240C8。系统根据自由立体LED的要求利用Avalon总线配置了32位CPU软核以及 ROM，RAM，SRAM，FIFO，SDRAM和DMA等片内外资源，用以存储和快速传输数据，同时还专门设计了LED控制器以实现自由立体LED显示功能。

系统硬件结构如图1所示。NiosⅡ主端口的时钟是内部总线的时钟，本系统采用50 MHz，用流模式传输的最大带宽能达到100 Mbit/s。在电路设计时，首先用硬件描述语言写用户逻辑，创建Alvalon Slave接口使之直接和DMA控制器的主端口相连接，完成硬件设计。再在NiosⅡIDE环境下，用C语言编写DMA初始化和控制程序，使得流模式的数据传输在FIFO与Avalon总线的接口上，能够做到无缝连接。

图1 FPGA系统结构图

2.3 立体LED控制器的设计

Avalon流模式LED控制器硬件结构如图2所示，用硬件描述语言设计LED时序发生器，由于LED各个像素点的色彩是以RGB形式的亮度数据用二进制数字方式存储在SDRAM中的，使用D/T转换技术[5]即亮度时间转换技术就可以实现LED屏的全彩显示。笔者设计了一个专用的函数f（i），用此函数即可统一控制各个像素点实现全屏幕所有像素点相互独立而又同步的D/T转换。这里，f（i）作为 LED_latch 信号。

图2 Avalon流模式LED控制器结构图

因为FIFO中的数据格式是左、右视图列交叉显示，因此LED控制驱动器的设计是以列驱动的。LED时序发生器的设计如图3所示，将立体图像对中左、右眼图像帧每个像素的数据用乒乓开关控制存储在FIFO缓存之中[6]，以16个列像素点的驱动为例，FIFO缓存之中的左、右视频数据分别各连接一个16位可预置移位寄存器，通过16个时钟脉冲的移位产生16个像数的驱动数据，由片选信号选择显示行数，由D/T转换函数f（i）作为LED_latch信号锁存，FIFO缓存的数据经过8次移位即可完成1个像素的真彩驱动。

图3 LED时序发生器内部结构图

每帧画面显示1个立体像素真彩信号的时间需要移位8次，即250个基本周期。如果LED大屏幕显示器每秒最多显示30帧，采用1/8驱动模式和立体像素的1/2时分复用，再考虑选用16位移位锁存LED恒流驱动电路，实际要求的时钟频率为2 MHz。

3 系统软件设计与仿真

软件设计就是利用SoPC Builder生成软件文件，用文本编辑器编写汇编语言或C/C++源程序，用GUNPro将源程序编译成可执行文件，并通过下载电缆对可执行程序进行调试和运行。软件系统分为两部分：主程序和中断服务程序。主程序主要完成系统的初始化，其主要功能是：对于系统中的每一个微处理器，从设备都生成一个定义该设备地址的头文件，为软件开发创建存储器映射文件。DMA的操作都通过中断服务程序执行，把需要送出的像素信息排成一行顺序送出形成数据流，借助于Avalon流模式外设的设计方法，实现一个Avalon流模式的LED控制器。利用DMA控制器在流模式控制器和SRAM之间建立一条DMA传送通道，让硬件来完成像素信息的自动读取。软件流程如图4所示，部分内部时序仿真如图5所示。

图4 软件流程图

4 小结

在本文的设计中，利用SoPC解决方案，选用NiosⅡ32位处理器，根据人类的视觉原理，将3D立体显示SS格式数据在专门设计的带有光栅的LED立体显示屏上显示出来。采用了Avalon总线的流数据传输结构极大地提高了数据处理的速度，加快扫描频率，同时专门设计了改进型的D/T转换技术，使得系统只使用一个函数就实现了所有像素点亮度的控制，极大地降低了LED时序电路发生器的复杂性。通过系统仿真得到了相对满意的效果。但是在设计过程中发现，LED大屏幕显示器前的光栅设计极为关键，包括与显示屏的距离、光栅的具体尺寸、观看的距离以及其间的相互关系等还有待进一步研究。

[1] 史彩娟.基于CPLD的全彩色LED屏设计[J].电视技术，2009，33（2）：29-30.

[2] 潘松，黄继业，曾毓，等.SOPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 方勇，吕国强，彭良清，等.3D显示器视频转换系统设计及其FPGA实现[J].液晶与显示，2007，2（22）：94-97.

[4] 李昌.LED大尺寸自由立体显示技术：中国，200810052752.7[P].2008-10-08.

[5] 刘曙光.LED 电子显示屏真彩实现[J].现代电子技术，2001（2）：8-12.

[6] 王智，罗新民.基于乒乓操作的异步FIFO设计及VHDL实现[J].电子工程师，2005，31（6）：13-16.

鲍安平（1974-），工程师，硕士，主要从事DSP处理器的智能算法实现。