分場(chǎng)分區(qū)存儲(chǔ)技術(shù)的原理及應(yīng)用介紹

1 引 言

LED視頻顯示屏由于亮度高、視角廣、壽命長(zhǎng)、性?xún)r(jià)比高，而且具有可與計(jì)算機(jī)同步顯示各種文字、圖形、圖像，可實(shí)時(shí)播放電視、錄像、影碟等視頻信號(hào)，可即時(shí)輸入、編輯各種多媒體數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，使其在街頭、廣場(chǎng)、商業(yè)中心、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)所、娛樂(lè)場(chǎng)所、控制中心許多公共場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于技術(shù)的問(wèn)題，特大視頻顯示屏還面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在灰度級(jí)低，亮度損失嚴(yán)重，刷新速度低。另外，本文的視頻信號(hào)源來(lái)自DVI(Digital Video InteRFace)接口，DVI接口輸出的為數(shù)字視頻信號(hào)，信息量大，一般是先經(jīng)過(guò)外部RAM(Random Array Memory)緩存，然后由處理器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理?？捎糜跀?shù)字圖像存儲(chǔ)的外部存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，容量大，使用中需要刷新，當(dāng)處理器沒(méi)有外部動(dòng)態(tài)RAM接口時(shí)，就需要設(shè)計(jì)刷新電路，這給系統(tǒng)應(yīng)用帶來(lái)不便；SRAM不用刷新，不需要專(zhuān)用接口，實(shí)時(shí)性好，并且可以進(jìn)行跳地址尋址，所以本文利用SRAM作為外部緩存存儲(chǔ)器。采用分場(chǎng)分區(qū)存儲(chǔ)技術(shù)，使刷新頻率大為提高，圖像顯示效果清晰穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了分辨率800×256，刷新頻率90 Hz，紅綠藍(lán)三色256×256×256灰度級(jí)的視頻顯示系統(tǒng)。同時(shí)，采用該技術(shù)，亮度和灰度級(jí)方便可調(diào)，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(duì)DVI接口傳輸?shù)囊曨l信號(hào)進(jìn)行編解碼形成24 b真彩色視頻數(shù)據(jù)和點(diǎn)時(shí)鐘(CLK)，行同步信號(hào)(HS)，場(chǎng)同步信號(hào)(VS)，數(shù)據(jù)有效信號(hào)(DE)等控制信號(hào)，通過(guò)LVDS(Low Voltage Differential Signaling)電平傳輸?shù)浇邮湛ㄉ?，?jīng)過(guò)接收卡的數(shù)據(jù)處理傳送給具有特定驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)(1／8掃描方式，74HC595驅(qū)動(dòng)芯片)韻LED大屏。本文的重點(diǎn)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(guò)來(lái)的視頻信號(hào)(控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào))，將視頻信號(hào)中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)位面分離，分場(chǎng)存入外部緩存，然后分區(qū)讀出，傳送給顯示驅(qū)動(dòng)屏。其中位面分離模塊將不同數(shù)據(jù)的同權(quán)位重新組合成新的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。外部緩存采用兩個(gè)SRAM乒乓緩存的技術(shù)，實(shí)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(chǎng)分區(qū)存儲(chǔ)的原理和實(shí)現(xiàn)。

3.1 位面分離模塊

視頻顯示屏采用的灰度級(jí)控制方式為分場(chǎng)疊加與占空比相結(jié)合的方式，如表1所示：其中分場(chǎng)疊加是指用不同場(chǎng)次的恒頻掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)不同灰度級(jí)，如表1 的D7～D4；占空比控制是指控制點(diǎn)亮?xí)r間與關(guān)斷時(shí)間的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)灰度的調(diào)節(jié)，如表1的D3～D0。而這兩種方式的前提都是要實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的位面分離。位面分離用FPGA來(lái)實(shí)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(shí)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(lán)三色，分別占用一個(gè)字節(jié)。把這24位數(shù)據(jù)線分別通過(guò)一個(gè)8位寬數(shù)據(jù)移位寄存器寄存，然后通過(guò)一個(gè)顏色位選擇器輸出到外部緩存器中。通過(guò)控制緩存器的地址實(shí)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(jìn)行位面分離。其中移位寄存器使用了流水線的技術(shù)，在鎖存輸出前8個(gè)數(shù)據(jù)的同權(quán)位的同時(shí)，移進(jìn)第9個(gè)數(shù)據(jù)的同權(quán)位，這樣提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

3.2 分場(chǎng)分區(qū)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)位面分離以后，不同數(shù)據(jù)的同權(quán)位組成了新的數(shù)據(jù)，通過(guò)控制存儲(chǔ)器的地址使一幀所有數(shù)據(jù)的同權(quán)位寫(xiě)在存儲(chǔ)器的同一段中，因此對(duì)寫(xiě)地址發(fā)生器要求比較高。該系統(tǒng)要求256級(jí)灰度，那么將存儲(chǔ)器分成8個(gè)段，每個(gè)段存儲(chǔ)代表同一個(gè)權(quán)值的位(場(chǎng))。其中，8個(gè)段用3(23)根地址線來(lái)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(gè)區(qū)的行地址 (1／8掃描)。列地址用7(27)根地址線來(lái)表示，因?yàn)榇鎯?chǔ)器為24位寬，一個(gè)存儲(chǔ)單元代表LED顯示屏8個(gè)RGB點(diǎn)的同權(quán)位，其優(yōu)先級(jí)從高到底的順序?yàn)椋簣?chǎng)地址>列地址>行地址。分別用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這三個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)就構(gòu)成了存儲(chǔ)器的寫(xiě)地址，其連接方式為：場(chǎng)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(jiàn)，通過(guò)改變存儲(chǔ)器地址線的優(yōu)先級(jí)可實(shí)現(xiàn)分場(chǎng)(8場(chǎng))存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)分8場(chǎng)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，讀出時(shí)要求分19場(chǎng)讀出，并且要控制每一場(chǎng)的顯示時(shí)間。所以在產(chǎn)生讀地址的場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器的時(shí)候，先設(shè)計(jì)一個(gè)19進(jìn)制的計(jì)數(shù)器counter19(0～18)。表2為counter19和場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器的關(guān)系：每一場(chǎng)的顯示時(shí)間是用比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以通過(guò)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(shí)點(diǎn)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(chǔ)器每次只能讀出一個(gè)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(xiě)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(jí)。數(shù)據(jù)已經(jīng)是位面分離的，所以要想實(shí)現(xiàn)32區(qū)數(shù)據(jù)同時(shí)顯示，那么區(qū)地址的優(yōu)先級(jí)應(yīng)為最高，其次是列地址，然后是行地址，最后是場(chǎng)地址。與存儲(chǔ)器連接方式同寫(xiě)地址一樣。

4 仿真波形

位面分離模塊的仿真波形如圖4所示：其中RGBdin[23..16]為輸入數(shù)據(jù)的高八位，rgb_regroup_output[23..16]為輸出數(shù)據(jù)的高八位。flag為輸入數(shù)據(jù)有效信號(hào)標(biāo)志，flag_delay85為輸出有效信號(hào)的標(biāo)志。

波形分析如下：

輸入數(shù)據(jù)前8個(gè)數(shù)據(jù)的前面7個(gè)都為00h，第8個(gè)為02h，這8個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行位面分離后輸出見(jiàn)表3，由表3可以看出位面分離實(shí)現(xiàn)了前8個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置后從右往左讀出。

圖5為寫(xiě)地址的仿真波形，可以看出，場(chǎng)地址優(yōu)先級(jí)最高，當(dāng)場(chǎng)地址為7h時(shí)，列地址加1，當(dāng)列地址為63h時(shí)，行地址加1，當(dāng)行地址為7h時(shí)，區(qū)地址加1。同理可以看出圖6讀地址的進(jìn)位順序?yàn)椋簠^(qū)地址為1Fh時(shí)，列地址加1，列地址為63h時(shí)，行地址加1，行地址為7h時(shí)，場(chǎng)地址按19場(chǎng)原理進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖6中行地址為7h時(shí)，場(chǎng)地址并沒(méi)有加1。圖7為場(chǎng)地址計(jì)數(shù)器控制的占空比信號(hào)。該信號(hào)接顯示屏驅(qū)動(dòng)板行打描信號(hào)的使能端，通過(guò)控制掃描信號(hào)控制顯示時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)LED視頻顯示屏的系統(tǒng)遇到的刷新速度和灰度控制問(wèn)題，本文提出了一種分場(chǎng)分區(qū)存儲(chǔ)技術(shù)，詳細(xì)地介紹了其原理和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)波形仿真和工程應(yīng)用，該方法很好地解決了LED顯示控制系統(tǒng)中圖像閃爍，亮度損失大的問(wèn)題，并且其灰度和亮度控制可以靈活校正。