一种基于FPGA控制全彩大屏幕显示的设计

贵州大学 葛建新

随着数字技术的飞速发展，各种数字显示屏也随即涌现出来有LED、LCD、DLP等，各种数字大屏幕的控制系统多种多样，有用ARM+FPGA脱机控制系统，也有用PC+DVI接口解码芯片+FPGA芯片联机控制系统，在这里我们讲述一种不仅可以用于控制全彩LED大屏幕的显示，而且还可以作为发送端输出高清图像数据。采用的联机控制系统对全彩LED大屏幕进行控制。即PC+DVI接口解码芯片+FPGA芯片+输出接口模式的联机控制系统。

DVI接口概述

DVI全称为Digital Visual Interface，它是基于TMDS（Transition Minimized Differential Signaling，最小化传输差分信号）电子协议作为基本电气连接。TMDS是一种微分信号机制，可以将像素数据编码，并通过串行连接传递。显卡产生的数字信号由发送器按照TMDS协议编码后通过TMDS通道发送给接收器，经过解码送给数字显示设备。

目前的DVI接口分为两种，一个是DVI-D接口，只能接收数字信号，接口上只有3排8列共24个针脚，其中右上角的一个针脚为空，不兼容模拟信号。

另外一种则是DVI-I接口，可同时兼容模拟和数字信号。兼容模拟幸好并不意味着模拟信号的D-Sub接口可以连接在DVI-I接口上，而是必须通过一个转换接头才能使用，一般采用这种接口的显卡都会带有相关的转换接头。

本文叙述中用到的接口是DVI-D全数据接口。

FPGA控制全彩LED大屏幕系统原理

1 DVI解码芯片控制原理

图3输入部分显示了FPGA芯片控制解码芯片控制原理图，所选的FPGA芯片是Xilinx公司的Spantan_3系列的X3C1400A-5，该芯片可以实现对DDR_SDRAM最大时钟为200MHz的控制。在该系统中用到的DVI解码芯片是TI公司生产的芯片型号为tfp401的解码芯片，该芯片通过接收由计算机DVI接口传输来的编码图像数据，输出到DVI解码芯片，该芯片将串行数据解码成24位的R（Red）、G(Green)、B(Blue)三原色并行数据，以及行同步、场同步、数据使能和时钟信号，然后将解码后的RGB图像数据、行同步、场同步、数据使能和时钟控制信号送给FPGA芯片，将图像数据缓冲到FPGA芯片的FIFO中，在这里须注意，当采集图像的分辨率很大时，该数据传输的时钟信号最高可达到165MHz，输出的并行图像数据为24位的数据，所以最大带宽可达到3.96GHz，在选取外部存储器是须考虑带宽的要求。



图1 DVI-D接口

DDC:Display Data Channel (显示数据通道)----指主机与显示设备的通讯方式。基于End-user的即插即用功能的需求，VESA定义了DDC标准。包含DDC1/DDC2B/DDC2B+等方式。DDC2B是主机与显示设备准双向通信，基于I2C通信协议。只有主机向显示器发出需求信号，并得到显示器的响应后，才送出EDID资料。EDID:Extended Display Identification Data(外部显示设备标志数据)----指DDC通信中传输的显示设备数据。EDID包含显示设备的基本参数，如制造厂商、产品名称、最大行场频、可支持的分辨率等。图中的E2PROM是一个重要的存储器，存储由计算机传来的制造厂商、产品名称、最大行场频、可支持的分辨率等参数，只有该存储器工作起来后，DVI接口才可以正常工作，该存储器显示数据通道为DDC，在这里与DVI接口插上时，该处有个上拉电阻进行指示，计算机会自动将各种参数输入到该存储器，这样才可以从DVI接口输出以各种参数为标准的图像数据。



图2 DVI-I接口

2 选取存储图像数据的缓冲存储器

根据上述采集图像数据的带宽要求，在这里用的是DDR-SDRAM存储器，时钟最大为200MHz，数据位宽为16位，所以，最高带宽可达到6.4GHz，利用率达到65%即可满足上述DVI接口芯片输入到FPGA芯片的带宽要求。

由于从DVI芯片输入到FPGA芯片的图像数据最大的时钟是165MHz，与输出到DDR-SDRAM存储器的时钟频率200MHz不同步，所以，在这里FPGA芯片中要用到异步FIFO进行缓冲，将从DVI解码芯片输入的图像数据缓冲到宽度为24位，深度为2048的FIFO中，其中输入时钟根据输入的图像分辨率计算得出，最大可输出的时钟为165MHz，然后再从FIFO缓冲期将数据输出到DDR-SDRAM存储器，其中输出到DDR-SDRAM的图像数据的时钟为200MHz，输出的时钟为双数据率始终，即数据有效时钟可达到400MHz，再将DDR-SDRAM存储器中的图像数据输出到FPGA芯片中，在这里输出到FPGA芯片的缓冲阶段，需要借助FIFO对输出到外部接口芯片进行缓冲。

3 图像处理

由于人眼看到的图像亮度是非线性等级的，该系统的输出到存储器的图像是线性的，所以需进行校正处理，在这里运用了gamma校正算法进行处理，Y=KXr，FPGA芯片对gamma校正的实现过程就是进行数据的映射，对从FIFO输出到外部接口的图像数据进行数据的一一映射。得到输出图像，从输出接口将校正后的图像数据输出到外部器件。



图3 FPGA控制全彩大屏幕LED系统原理图

4 应用于不同领域的两种输出接口模式

①FPGA芯片输出端连接驱动电流芯片
该接口的使用适合于输出的是多路驱动电流芯片，用FPGA芯片输出管脚时序控制多路外部驱动电流芯片，驱动电流芯片再对RGB发光二极管进行控制，最后将整个电脑想要显示的图像显示到大屏幕LED上。
②接收端为以太网线的接口

该接口适合于对一路输入DVI解码芯片接口图像的输出，该接口可以用于远距离传输图像信息，应用于大屏幕的LED的显示。

显示设备采用DVI接口优点

DVI传输的是数字信号，数字图像信息不需经过任何转换，就会直接被传送到显示设备上，减少了数字向模拟再到数字烦琐的转换过程，大大节省了时间，因此它的速度更快，能有效消除拖影现象，使用DVI进行数据传输，信号不衰减，色彩更纯净，更逼真。计算机内部传输的是二进制的数字信号，使用VGA接口连接全彩LED大屏幕显示器，就需要先把信号通过显卡中的D/A转换器转变为R、G、B三原色信号和行、场同步信号，这些信号通过模拟信号线传输到全彩LED大屏幕上，还需要相应的A/D转换器将模拟信号再一次转变成数字信号，才能在全彩LED大屏幕上显示出图像。在上述的D/A、A/D转换和信号传输过程中不可避免信号的损失和受到干扰，从而导致图像出现失真甚至显示错误。DVI接口无须进行这些转换，避免了信号的损失，使图像的清晰度和细节表现力都得到了大大的提高。

结束语

该设计系统实现的FPGA芯片控制全彩大屏幕的图像显示系统，不仅可以用于小尺寸分辨率（256×192）的全彩LED大屏幕控制系统的显示，还可以远距离的以太网传输图像数据，将该图像数据发送到多块接收模板，多块接收板的拼接可以用于显示分辨率（1920×1280）的高清彩色图像的大屏幕