一種基于FPGA控制全彩大屏幕顯示的設計

隨著數字技術的飛速發展，各種數字顯示屏也隨即涌現出來有LED、LCD、DLP等，各種數字大屏幕的控制系統多種多樣，有用ARM+FPGA脫機控制系統，也有用PC+DVI接口解碼芯片+FPGA芯片聯機控制系統，在這里我們講述一種不僅可以用于控制全彩LED大屏幕的顯示，而且還可以作為發送端輸出高清圖像數據。采用的聯機控制系統對全彩LED大屏幕進行控制。即PC+DVI接口解碼芯片+FPGA芯片+輸出接口模式的聯機控制系統。

    DVI接口概述

    DVI全稱為Digital Visual Interface，它是基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化傳輸差分信號）電子協議作為基本電氣連接。TMDS是一種微分信號機制，可以將像素數據編碼，并通過串行連接傳遞。顯卡產生的數字信號由發送器按照TMDS協議編碼后通過TMDS通道發送給接收器，經過解碼送給數字顯示設備。

    目前的DVI接口分為兩種，一個是DVI-D接口，只能接收數字信號，接口上只有3排8列共24個針腳，其中右上角的一個針腳為空，不兼容模擬信號。

    另外一種則是DVI-I接口，可同時兼容模擬和數字信號。兼容模擬幸好并不意味著模擬信號的D-Sub接口可以連接在DVI-I接口上，而是必須通過一個轉換接頭才能使用，一般采用這種接口的顯卡都會帶有相關的轉換接頭。

    本文敘述中用到的接口是DVI-D全數據接口。

    FPGA控制全彩LED大屏幕系統原理

    1 DVI解碼芯片控制原理

    圖3輸入部分顯示了FPGA芯片控制解碼芯片控制原理圖，所選的FPGA芯片是Xilinx公司的Spantan_3系列的 X3C1400A-5，該芯片可以實現對DDR_SDRAM最大時鐘為200MHz的控制。在該系統中用到的DVI解碼芯片是TI公司生產的芯片型號為 tfp401的解碼芯片，該芯片通過接收由計算機DVI接口傳輸來的編碼圖像數據，輸出到DVI解碼芯片，該芯片將串行數據解碼成24位的R（Red）、 G(Green)、B(Blue)三原色并行數據，以及行同步、場同步、數據使能和時鐘信號，然后將解碼后的RGB圖像數據、行同步、場同步、數據使能和時鐘控制信號送給FPGA芯片，將圖像數據緩沖到FPGA芯片的FIFO中，在這里須注意，當采集圖像的分辨率很大時，該數據傳輸的時鐘信號最高可達到 165MHz，輸出的并行圖像數據為24位的數據，所以最大帶寬可達到3.96GHz，在選取外部存儲器是須考慮帶寬的要求。

圖1 DVI-D接口

    DDC:Display Data Channel (顯示數據通道)----指主機與顯示設備的通訊方式?；贓nd-user的即插即用功能的需求，VESA定義了DDC標準。包含 DDC1/DDC2B/DDC2B+等方式。DDC2B是主機與顯示設備準雙向通信，基于I2C通信協議。只有主機向顯示器發出需求信號，并得到顯示器的響應后，才送出EDID資料。EDID:Extended Display Identification Data(外部顯示設備標志數據)----指DDC通信中傳輸的顯示設備數據。EDID包含顯示設備的基本參數，如制造廠商、產品名稱、最大行場頻、可支持的分辨率等。圖中的E2PROM是一個重要的存儲器，存儲由計算機傳來的制造廠商、產品名稱、最大行場頻、可支持的分辨率等參數，只有該存儲器工作起來后，DVI接口才可以正常工作，該存儲器顯示數據通道為DDC，在這里與DVI接口插上時，該處有個上拉電阻進行指示，計算機會自動將各種參數輸入到該存儲器，這樣才可以從DVI接口輸出以各種參數為標準的圖像數據。

圖2 DVI-I接口

    2 選取存儲圖像數據的緩沖存儲器

    根據上述采集圖像數據的帶寬要求，在這里用的是DDR-SDRAM存儲器，時鐘最大為200MHz，數據位寬為16位，所以，最高帶寬可達到6.4GHz，利用率達到65%即可滿足上述DVI接口芯片輸入到FPGA芯片的帶寬要求。

    由于從DVI芯片輸入到FPGA芯片的圖像數據最大的時鐘是165MHz，與輸出到DDR-SDRAM存儲器的時鐘頻率200MHz不同步，所以，在這里FPGA芯片中要用到異步FIFO進行緩沖，將從DVI解碼芯片輸入的圖像數據緩沖到寬度為24位，深度為2048的FIFO中，其中輸入時鐘根據輸入的圖像分辨率計算得出，最大可輸出的時鐘為165MHz，然后再從FIFO緩沖期將數據輸出到DDR-SDRAM存儲器，其中輸出到DDR -SDRAM的圖像數據的時鐘為200MHz，輸出的時鐘為雙數據率始終，即數據有效時鐘可達到400MHz，再將DDR-SDRAM存儲器中的圖像數據輸出到FPGA芯片中，在這里輸出到FPGA芯片的緩沖階段，需要借助FIFO對輸出到外部接口芯片進行緩沖。

    3 圖像處理

    由于人眼看到的圖像亮度是非線性等級的，該系統的輸出到存儲器的圖像是線性的，所以需進行校正處理，在這里運用了gamma校正算法進行處理，Y=KXr，FPGA芯片對gamma校正的實現過程就是進行數據的映射，對從FIFO輸出到外部接口的圖像數據進行數據的一一映射。得到輸出圖像，從輸出接口將校正后的圖像數據輸出到外部器件。

圖3 FPGA控制全彩大屏幕LED系統原理圖

    4 應用于不同領域的兩種輸出接口模式

    ①FPGA芯片輸出端連接驅動電流芯片
    該接口的使用適合于輸出的是多路驅動電流芯片，用FPGA芯片輸出管腳時序控制多路外部驅動電流芯片，驅動電流芯片再對RGB發光二極管進行控制，最后將整個電腦想要顯示的圖像顯示到大屏幕LED上。

    ②接收端為以太網線的接口
    該接口適合于對一路輸入DVI解碼芯片接口圖像的輸出，該接口可以用于遠距離傳輸圖像信息，應用于大屏幕的LED的顯示。
顯示設備采用DVI接口優點

    DVI傳輸的是數字信號，數字圖像信息不需經過任何轉換，就會直接被傳送到顯示設備上，減少了數字向模擬再到數字煩瑣的轉換過程，大大節省了時間，因此它的速度更快，能有效消除拖影現象，使用DVI進行數據傳輸，信號不衰減，色彩更純凈，更逼真。計算機內部傳輸的是二進制的數字信號，使用VGA接口連接全彩LED大屏幕顯示器，就需要先把信號通過顯卡中的D/A轉換器轉變為R、G、B三原色信號和行、場同步信號，這些信號通過模擬信號線傳輸到全彩LED大屏幕上，還需要相應的A/D轉換器將模擬信號再一次轉變成數字信號，才能在全彩LED大屏幕上顯示出圖像。在上述的D/A、A/D轉換和信號傳輸過程中不可避免信號的損失和受到干擾，從而導致圖像出現失真甚至顯示錯誤。DVI接口無須進行這些轉換，避免了信號的損失，使圖像的清晰度和細節表現力都得到了大大的提高。

    結束語

    該設計系統實現的FPGA芯片控制全彩大屏幕的圖像顯示系統，不僅可以用于小尺寸分辨率（256×192）的全彩LED大屏幕控制系統的顯示，還可以遠距離的以太網傳輸圖像數據，將該圖像數據發送到多塊接收模板，多塊接收板的拼接可以用于顯示分辨率（1920×1280）的高清彩色圖像的大屏幕。