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1 復雜可編程邏輯器件概述 復雜可編程邏輯器件(CPLD)最早出現于80年代后期，由于其高速、設計靈活、成本低、延時(shí)可預測等特點(diǎn)，一經(jīng)面世便得到廣泛的應用。世界各主要PLD廠(chǎng)商都紛紛推出了自己的 CPLD產(chǎn)品，如 Altera公司的 MAX系列，Xilinx的XC9500和Spartan系列，Lattice公司的ispLSI系列等。 1.l 復雜可編程邏輯器件的特點(diǎn) 與傳統的FPGA相比，CPLD最大的特點(diǎn)在于其延時(shí)可預測性。在互連特性上，CPLD采用連續互連方式，即用固定長(cháng)度的金屬線(xiàn)實(shí)現邏輯單元之間的互連，避免了分段式互連結構中的復雜的布局布線(xiàn)和多級實(shí)現問(wèn)題，能夠方便地預測設計時(shí)序，同時(shí)保證了CPLD的高速性能。用戶(hù)的仿真與實(shí)際系統集成后無(wú)太大的時(shí)間差異，不會(huì )給系統造 成性能的波動(dòng)，即系統具有穩定的可編程性，這使得軟件控制下硬件的改變不受器件的影響。 1.2 isp LSI簡(jiǎn)介 Lattice 公司研制的在系統可編程大規模集成電路(ispLSI)系列芯片具有高密度、高速度和在線(xiàn)可編程等特點(diǎn)，使設計變得容易，并且不需要更改線(xiàn)路板就可以立即更改設計，代表了大規�？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展方向。ispLSI包括以下幾個(gè)主要部分:GLB(通用邏輯塊)，GRP(集總布線(xiàn)區)，ORP(輸出布線(xiàn)區)，I/O單元和時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )。 (1) GLBispLSI的基本單元是GLB。每個(gè)GLB有18個(gè)輸入，4個(gè)輸出，以及實(shí)現標準邏輯功能的必要邏輯。GLB的輸入來(lái)自GRP和專(zhuān)門(mén)輸入端，GLB的輸出反饋回GLB，以便它們能連接到任何別的GLB的輸入端。 (2) GRPispLSI芯片中部有一個(gè)集總布線(xiàn)區，該布線(xiàn)區在連線(xiàn)延時(shí)恒定且可預知的前提下，提供了完善的片內邏輯互連性能。 (3) ORPORP提供了GLB輸出與芯片輸出引腳之間靈活的連接途徑。 (4) I/O單元每一個(gè)I/O單元直接連接到一個(gè)I/O引腳。每個(gè)I/O都可編程為輸入、輸出和雙向單元，并可根據所需要編程為鎖存或寄存功能。每16個(gè)I/O Cell分為一組。8個(gè)GLB，16個(gè)I/O Cell，一個(gè)ORP和2個(gè)專(zhuān)用輸入連在一起，組成一個(gè) Megablock(組合模塊)。8個(gè)GLB的輸出通過(guò)ORP連到16個(gè)I/O Cell。每個(gè)Megablock共享一個(gè)OE信號。 (5) 時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )以1032 為例，時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò )有4個(gè)專(zhuān)用的時(shí)鐘輸入端:Y0，Y1，Y2和Y3;另外的一個(gè)專(zhuān)用時(shí)鐘輸入來(lái)自GLB的輸出。5個(gè)時(shí)鐘輸出:CLK0，CLK1， CLK2，I/O CLK0和I/O CLK1，用來(lái)提供到GLB和I/O單元的時(shí)鐘線(xiàn)路。CLK0，CLK1和CLK2用作GLB的時(shí)鐘信號;I/O CLK0和I/O CLK1則用作I/O Cell的時(shí)鐘信號。 2 LED大屏幕視頻顯示系統原理 LED大屏幕視頻顯示系統由于具有亮度高、視角廣、壽命長(cháng)、性?xún)r(jià)比高，因此在銀行、交通、廣場(chǎng)、體育場(chǎng)館等公共場(chǎng)合得到了廣泛的應用。筆者用按位分時(shí)顯示的方法研制了256×256灰度級的LED大屏幕視頻顯示系統，畫(huà)面清晰穩定，顏色豐富，取得了良好的視覺(jué)效果。 視頻控制系統是LED大屏幕視頻顯示系統的核心，它負責產(chǎn)生各種顯示控制信號，對視頻數據進(jìn)行分割、存儲、灰度掃描并按特定的方式輸出數據到顯示屏體供驅動(dòng)顯示。從電路組成看，視頻控制系統包括計算機箱體內的預處理卡及顯示屏體內的可級聯(lián)的視頻控制器單元;視頻控制器單元(或預處理卡)由控制單元 (CPLD)和存儲器單元(SRAM組)以及I/O接口單元等部分組成。計算機屏幕上每8×16行單色數據對應兩片SRAM存儲器(1024列×8×16 行為1個(gè)存儲器單元)8×1位數據口，所有存儲器的地址和控制信號由一片控制芯片(ispLSI1032E)產(chǎn)生。它們在顯示系統中的關(guān)系如圖1所示。 大屏幕顯示范圍為1024列×768行，時(shí)鐘頻率65MHz，整個(gè)顯示區域分為6個(gè)存儲器單元，每個(gè)存儲器單元對應1024列×128行數據，2個(gè)存儲器單元及1片控制芯片共同組成一個(gè)視頻控制器單元(3個(gè)視頻控制器單元可以級聯(lián)控制1024列×768行)。計算機視頻數據經(jīng)過(guò)預處理卡(如γ反校正)后輸出到視頻控制器單元，視頻控制器單元根據時(shí)鐘和行、場(chǎng)同步信號對數據進(jìn)行分割并分時(shí)寫(xiě)入到2個(gè)存儲器單元內，視頻控制器的存儲器單元同時(shí)讀出的數據經(jīng)灰度調制后變成串行數據流，并行輸出到顯示屏體驅動(dòng)電路經(jīng)移位后以1行為周期打入到屏體顯示，同時(shí)行掃描信號以19行數據刷新時(shí)間為周期進(jìn)行垂直掃描。 3 視頻控制器單元的實(shí)現 3.1 灰度掃描方法 對于多灰度級LED大屏幕顯示而言，灰度的分層(灰度掃描)顯示方法是視頻控制器設計的關(guān)鍵，由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內的發(fā)光時(shí)間近似成正比，所以灰度等級的實(shí)現通常是由控制LED的發(fā)光時(shí)間與掃描周期的比值，即采用調制占空比來(lái)實(shí)現的。 (1) 灰度掃描約束公式 首先給出幾個(gè)定義:行周期h指視頻控制器輸入1行數據的時(shí)間，即計算機輸出視頻行周期。顯示基本時(shí)間單位td定義為灰度級為1的像素在屏體的對應點(diǎn)亮時(shí)間。幀掃描周期T定義為存儲單元的存儲器中1幀圖像的讀出時(shí)間，存儲器中1幀圖像對應2×8×16行1/n屏(n=l，2，3，…)輸入視頻圖像。幀頻F為幀掃描周期的倒數，為滿(mǎn)足人眼的視覺(jué)要求，假定幀頻不低于60Hz。屏體顯示效率η定義為幀掃描周期內LED屏體全亮(即全屏數據皆為最高灰度級)時(shí)間與幀掃描周期的比值。全屏顯示指視頻控制器每個(gè)存儲單元存儲的數據列數為計算機屏幕全屏的有效顯示列數，相對應的是半屏顯示、l/3屏顯示等等。 設顯示灰度等級數為N，由于灰度級為1的像素在屏體的對應點(diǎn)亮時(shí)間為td，因而灰度線(xiàn)性調制后灰度級為i的數據顯示時(shí)間為i×td，灰度級最高的數據顯示時(shí)間為(N-1)×td。通常的考慮是在td內完成對存儲器一行數據的一次讀出，同時(shí)以td為周期將讀出的一行數據打入到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N 級灰度級數，幀掃描周期為 由以上分析可知，高的灰度級數、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數，就必須提高存儲器讀出速率，或者降低幀掃描頻率，當灰度級數較高時(shí)，以目前的集成電路實(shí)現水平難以達到三者的兼顧。 解決的方法之一是大量采用并行結構，但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍，而且電路的復雜程度也有所增加;另一種方法是適當犧牲屏體顯示效率η以求得幀頻與速率的折中，這種方法經(jīng)實(shí)踐驗證是可行的。 仍然以td作為顯示基本時(shí)間單位，以對存儲單元1行數據的一次讀出時(shí)間作為屏體數據更新時(shí)間(屏體數據打入周期)，引入“消隱時(shí)間”的概念:“消隱時(shí)間”指屏體正常工作時(shí)間里的無(wú)效顯示時(shí)間。屏體數據更新時(shí)間可以大于顯示基本時(shí)間單位，即在屏體數據更新低灰度級時(shí)存在“消隱時(shí)間”，它雖然使顯示效率有所下降，但可以實(shí)現較低的掃描速率和較高的掃描幀頻。舉例來(lái)說(shuō)，若屏體數據更新時(shí)間為h，而顯示基本時(shí)間單位td為h/16，則灰度級為1的數據會(huì )引入 15/16行“消隱時(shí)間”，灰度級為2的數據會(huì )引入7/8行“消隱時(shí)間”…，灰度級為8的數據會(huì )引入1/2行“消隱時(shí)間”，而灰度級為16的數據則不會(huì )引入“消隱時(shí)間”，這樣就能在不提高存儲器讀出速率(λ≤1)的情況下(而且可以降低存儲器讀出速率Vo=32.5MHz，h=31.7，λ=0.5)實(shí)現 256級灰度掃描。這時(shí)幀掃描周期為 T=(1+1+1+1+1+2+4+8)×h×m=304h=9.64(ms) (11) 幀頻為，F=1/T=103.6(Hz) (12) 但這時(shí)LED大屏幕顯示屏體的顯示效率降低為 η'=(1/16+1/8+1/4+1/2+1+2+4+8)×h×m/T=83.88% (13) 也可以取顯示基本時(shí)間單位td為h/32或h/8，經(jīng)計算得256級灰度td與幀頻F的關(guān)系如圖2所示，td與LED屏體顯示效率η的關(guān)系如圖3所示。 設計中考慮到幀頻與LED屏體顯示效率的折中，采用td=h/16，即存儲器讀出速率等于1/2數據輸入速率，顯示基本時(shí)間單位為1/16 倍行周期�；叶葤呙柰ㄟ^(guò)對灰度數據按位分時(shí)顯示的方法實(shí)現，即計算機屏幕圖像以每像素24bit輸出(紅、綠、藍各8bit)時(shí)，通過(guò)給每種顏色8bit 字節的不同位分配不同的顯示時(shí)間達到灰度顯示的目的。比如，最低位(第8位)對應1/16行顯示時(shí)間，第7位對應1/8行顯示時(shí)間，…，第2位對應4行顯示時(shí)間，最高位對應8行顯示時(shí)間。屏體數據更新時(shí)間以行周期為單位，最低位對應更新時(shí)間為1行時(shí)間，其中顯示1/16行時(shí)間，其余15/16行時(shí)間里，由控制電路產(chǎn)生消隱信號進(jìn)行消隱，其余位類(lèi)同。 3.2 視頻控制器單元設計 根據上述256級灰度視頻數據灰度掃描的原理設計了256級灰度視頻控制器，原理(單個(gè)顏色通道)如圖4所示。 按功能來(lái)分，設計的視頻控制器單元可以分為四個(gè)部分:控制單元、存儲器單元(SRAM)、數據緩沖器和接口單元。視頻控制器單元的核心是存儲器單元，計算機屏幕上每128行數據對應一個(gè)存儲器單元，顯示屏所要實(shí)時(shí)顯示的內容(即計算機屏幕圖像數據)都存放在存儲器單元中�？刂茊卧a(chǎn)生存儲器單元的地址信號和分時(shí)選通控制信號及灰度掃描控制信號如掃描地址信號、消隱、移位、鎖存脈沖等。數據緩沖器用于實(shí)現視頻數據的讀寫(xiě)(輸出輸入)緩沖。接口單元用于產(chǎn)生符合顯示屏驅動(dòng)電路接口格式的信號。當一個(gè)幀存儲器進(jìn)行數據寫(xiě)入時(shí)，另一個(gè)幀存儲器進(jìn)行數據掃描讀出，這樣兩組存儲器可以分別交替工作于視頻數據高速掃描和高速寫(xiě)入兩種方式，因而可以提高數據讀寫(xiě)的速率和顯示屏的幀頻，播放出來(lái)的圖像更加穩定。 3.3 視頻控制器單元設計 視頻圖像信號頻率高、數據量大，要求實(shí)時(shí)處理，加之LED大屏幕的數字邏輯相當復雜，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)設計系統中的關(guān)鍵控制電路，可以簡(jiǎn)化系統結構，便于調試。筆者利用Lattice公司的CPLD器件，用按位分時(shí)顯示的方法設計了256級灰度*256級灰度(紅、綠雙基色)視頻控制器單元的控制單元部分，經(jīng)測試畫(huà)面清晰穩定，顏色豐富，取得了預期的效果。以下是設計的大致過(guò)程。 首先是器件選型。為了提高器件的利用率，從結構化觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，統計出視頻控制器存儲單元、數據緩沖器和接口單元需要的控制信號數目為56，決定采用1片Lattice的ispLSI1032作為控制芯片。該芯片包含32個(gè)GLB，192個(gè)寄存器，I/O口及輸入數為72，門(mén)數為6000，速度為70MHz，具有在系統編程功能，能夠比較高效地滿(mǎn)足應用要求，同時(shí)還可兼顧系統今后的重構。 按照設計要求，控制芯片用于產(chǎn)生讀、寫(xiě)地址信號、掃描地址信號、分時(shí)選通控制信號和一些顯示控制信號如消隱、移位、打入脈沖等。在設計中采用了“自頂向下，逐步細化”的策略。 設計中開(kāi)發(fā)軟件采用Lattice公司的EDA工具ispEXPERT7.0，設計輸入采用了原理圖和硬件描述語(yǔ)言混合輸入的方法，并對設計結果進(jìn)行了仿真。定時(shí)分析結果為最小時(shí)鐘周期為26.7ns，時(shí)鐘周期計算公式為時(shí)鐘周期=路徑延時(shí)+時(shí)鐘到輸出端延時(shí)+建立時(shí)間。 存儲單元采用雙總線(xiàn)結構的高速SRAM，每行數據對應19行時(shí)間讀出，讀出后幀頻為103.6Hz。計算機視頻工作頻率為65MHz，行頻48.4kHz，幀頻60Hz。 4 結束語(yǔ) 本文討論了LED大屏幕視頻控制器單元中的灰度掃描方法，提出了256級灰度掃描時(shí)的實(shí)現方案，并用CPLD器件實(shí)現其控制電路。由于采用了EDA工具，降低了設計難度，縮短了開(kāi)發(fā)周朗，同時(shí)由于只需一片集成電路即可實(shí)現過(guò)去需要幾十片中規模集成電路的控制功能，印刷板 的面積大大縮小，系統抗干擾能力顯著(zhù)增強，此外ISP功能給電路板的調試和系統的維護帶來(lái)了很大的方便，并且有利于系統今后的升級和重構。 |
