基于fpga的lcd顯示控制器設計

溫度范圍小,不能滿足特殊應用場合目前，只有國外和臺灣的一些半殖民族工業(yè)公司擁有設計和生產(chǎn)特殊類型的賴氏芯片的相關技術，但他們只生產(chǎn)和銷售商業(yè)級芯片，工作效率為0.50。受此限制,商用LCD顯示器工作溫度范圍窄,不能滿足特殊應用場合工作溫度需求。另外,專用LCD顯示控制芯片在圖像處理上功能強大,卻沒有針對特殊使用場合提供諸如嵌入式檢測,寬范圍背光控制,低溫加熱控制等功能。隨著FP-GA技術的發(fā)展,其內(nèi)部資源和速度等級不斷提高,且可提供工業(yè)級溫度范圍(-40℃~+85℃)芯片,能保證在允許的溫度范圍內(nèi)器件不會發(fā)生物理損壞,使采用FPGA進行高性能和高集成度的LCD顯示控制器的設計成為可能。為此我們開展了基于FPGA的面向特殊應用場合的LCD控制器的視頻接口、圖像處理、輔助控制電路等相關研究。1視頻控制系統(tǒng)本LCD顯示控制器能夠接收兩路DVI-D視頻信號,輸出LCD顯示屏TCON所需的LVDS信號,驅(qū)動LCD屏顯示?？刂破魍瑫r具有OSD屏幕控制、LED背光控制、自動低溫加熱、嵌入式檢測功能。其系統(tǒng)架構框圖如圖1所示。由圖1可知,LCD顯示控制器主要由DVI解碼器(ADV7612),視頻信號檢測單元,視頻信號縮放處理單元,OSD菜單處理單元,視頻alpha疊加處理單元,色彩變換單元以及LED背光控制,低溫加熱控制及嵌入式檢測單元等功能模塊組成。外部輸入的DVI視頻經(jīng)過ADV7612解碼后輸入到視頻檢測單元,檢測到有效性后,通過縮放、色彩變換、alpha疊加、灰階擴展等一系列單元模塊,完成整個視頻流的處理,最后編碼成LVDS信號輸出到LCD。除DVI解碼器外,其它控制部分均采用Altera公司的FPGA(EP3C55F780I7N)及外部存儲器DDR2SDRAM來實現(xiàn)。FPGA內(nèi)部以NiosII軟件為中心,將各功能模塊有機地組合起來,實現(xiàn)各種特定的功能。下文將重點介紹DVI解碼、視頻流處理各個功能模塊的設計,同時對背光、加熱進行簡單介紹。2功能模塊設計2.1adv葉片十二格式DVI解碼器將DVI視頻信號轉化為TTL視頻信號,以便于FPGA處理。DVI解碼器采用ADI公司的ADV7612ADV7612支持所有強制性格式以及許多可選格式,支持最高達UXGA、8位的DVI格式。ADV7612功能框圖如圖2所示。ADV7612內(nèi)部集成了同步信號生成模塊,用于DE的再生(基于顯示視頻格式的測量)和水平/垂直同步信號的濾波,以防止產(chǎn)生毛刺。ADV7612作為DVI解碼器的基本特性可以概括為:2.2視頻信號國字視頻監(jiān)控和顯示模塊設計DVI視頻信號經(jīng)ADV7612解碼后變成TTL標準的并行視頻信號,并送入FPGA。FPGA首先根據(jù)DE信號的頻率來判斷信號的有效性,當無有效的外部視頻信號時,內(nèi)部產(chǎn)生640×480@60HZ的“藍屏”信號替代外視頻,送入視頻信號縮放處理單元。Altera提供了一組視頻和圖像處理系統(tǒng)設計和開發(fā)IP核Avalon-ST接口是高速流接口,它采用Avalon-ST視頻協(xié)議傳輸視頻和控制數(shù)據(jù)。Avalon-ST視頻協(xié)議是面向包的協(xié)議,可以構建視頻處理數(shù)據(jù)通道,自動配置和改變視頻的格式,實現(xiàn)配置視頻系統(tǒng)所需外部邏輯的最小化。通過Avalon-ST接口創(chuàng)建視頻處理通道,將視頻和圖像處理IP核連接在一起實現(xiàn)特定的視頻處理功能。Avalon-MM接口提供監(jiān)視和控制IP核屬性的方法。通過Avalon-MM從接口提供對一系列寄存器的訪問,VIPIP核允許運行時控制其部分行為。本系統(tǒng)中采用VIP的時鐘驅(qū)動的視頻輸入和輸出,縮放器II,幀緩存器模塊組成視頻信號縮放單元,使LCD控制器自動適應1920×1200@60Hz以下各種分辨率并縮放到LCD屏的物理分辨率。圖3為視頻信號的縮放單元的邏輯結構圖。視頻輸入IP核將時鐘驅(qū)動的DVI視頻轉換成流控制的Avalon-ST視頻,它提供時鐘域交叉能力,移除了輸入視頻在水平和垂直方向上的空白,僅保留活動圖像數(shù)據(jù),創(chuàng)建Avalon-ST視頻協(xié)議和活動圖像包。表1為視頻輸入IP核的主要參數(shù)設置?？s放器IIIP核和幀緩器IP核用于改變視頻流的大小。在縮放器IIIP核中我們采用雙三次插值算法,在實現(xiàn)圖像縮放時能夠更好的保留圖像邊緣的銳度,同時通過插值運算保證圖像邊緣的平滑。由于視頻輸入和輸出不是嚴格同步,利用幀緩存器IP將幀視頻數(shù)據(jù)存到外部DDR2SDRAM,實現(xiàn)幀速轉換?？s放器能夠自動將1920×1200分辨率以下的各種視頻信號縮放到1600×1200的分辨率。表2為縮放器IIIP核的主要參數(shù)設置。時鐘驅(qū)動視頻輸出IP核通過插入水平和垂直空白并生成水平和垂直同步信息,將流控制的Ava-lon-ST視頻轉換成時鐘驅(qū)動的基于幀的具有單獨同步信號(Hsync,Vsync)的“DVI視頻”。表3為時鐘驅(qū)動視頻輸出IP核的主要參數(shù)設置。2.3osd控制器結構框圖OSD(OnScreenDisplay)是一種在屏顯示技術,其目的是根據(jù)按鍵的選擇在顯示圖像上疊加文字、圖形等信息,使顯示屏幕為用戶提供更多的附加信息。本文利用FPGA設計的OSD分辨率為480×240,顏色深度為16bit,通過移植GUI,可方便地顯示各種復雜信息。圖4為OSD控制器的結構框圖。OSD控制器包括一個AvalonSlave端口和一個Avalonmaster端口,NiosII處理器通過AvalonSlave端口讀、寫OSD控制器的各個寄存器,從而對控制器的顯示和模式進行控制。這些可讀寫的寄存器包括使用DDR2SDRAM作為顯存的首地址寄存器,設置顯示有效的控制寄存器等。Avalonmaster端口根據(jù)寄存器中設置的顯存首地址值,通過Ava-lon總線自動地從DDR2SDRAM中讀取要顯示的圖形數(shù)據(jù)。而NiosII處理核也可在軟件控制下通過Avalon總線更新DDR2SDRAM中的內(nèi)容,雙方的協(xié)調(diào)是由Avalon總線的控制邏輯實現(xiàn)的。在軟件上將繪點,畫線,寫字符,寫位圖等子程序封裝成GUI(圖形用戶接口),方便應用程序調(diào)用。為了使OSD控制器產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)與外部DVI視頻同步,TimingEngine采用外部同步信號,可以方便地與外部視頻融合。2.4視頻疊加處理alpha疊加用于在同一個視頻幀中組合多個視頻流,視頻縮放處理和OSD菜單處理產(chǎn)生的兩路信號需要通過alpha疊加來實現(xiàn)視頻的疊加顯示。在本設計中,OSD控制器產(chǎn)生的視頻必須疊加在DVI外視頻上。其數(shù)學表達式為(1):alpha值由NiosII處理核設定,范圍為0~255。alpha疊加可以實現(xiàn)畫中畫(PIP)顯示。將al-pha設為0,在OSD顯示區(qū)域完全覆蓋原DVI視頻,也可以將alpha設為128,在DVI視頻上重疊顯示OSD內(nèi)容,二者的內(nèi)容都可見,實現(xiàn)“透明”效果,變動alpha值時可以達到不同的“透明”效果。2.5形態(tài)校正方法為了提升圖像的顯示質(zhì)量,本設計加入了圖像色彩變換的處理算法。通過仿真計算,對一些常用變換公式亮度調(diào)節(jié):指調(diào)節(jié)圖像的整體亮度范圍,變換曲線如圖5(a)所示,A表示亮度的變化量;色溫調(diào)節(jié):指調(diào)節(jié)RGB分量在各自0~255范圍內(nèi)的比例,可單獨調(diào)節(jié),變換曲線如圖5(b)所示,k表示調(diào)節(jié)的百分比(0~100%);伽馬校正:指對圖像的伽馬曲線進行編輯,進行圖像的非線性色調(diào)校正,采用指數(shù)函數(shù)進行校正,曲線如圖5(c);對比度調(diào)整:指圖像各個灰度間的對比度差異的調(diào)整,在普通變換曲線的基礎上進行優(yōu)化,設計了新型的指數(shù)型對比度調(diào)節(jié)曲線(圖5(d)),調(diào)節(jié)范圍更廣,效果突出。對圖5的4種變換曲線進行優(yōu)化,可以將4種變換曲線轉換為兩種基本的變換曲線,變換公式如下:式(2)和式(3)中,x表示原始圖像的灰度值(0~255),f(x)表示變換后的灰度值,L實際計算過程中,圖像數(shù)據(jù)為8bit數(shù)據(jù),為保證算法的計算精度,減少灰階損失,對L2.6動態(tài)擺動算法frc為了不犧牲視頻圖像的灰階,設計采用了兩幀PD+FRC算法PD(PixelDithering)技術是指用交替的點圖案去模擬在顯示器中不能使用的顏色的過程。采用不同的真實灰階實現(xiàn)亮度融合,產(chǎn)生感應灰階。FRC(FrameRaceControl)是為了消除靜態(tài)抖動算法引起的條紋效應,更好地還原圖像質(zhì)量,使顯示的圖像平滑柔和,利用人眼視覺惰性實現(xiàn)的動態(tài)抖動算法。算法示意圖如圖6所示。由圖6可以看出,動態(tài)抖動算法為了消除固定抖動模板引起的條紋效應,采用隔幀變換抖動模板的方法,在時域上,由于抖動矩陣的循環(huán)變換而導致不同幀抖動后的圖案中同一位置處的像素明暗輪換出現(xiàn),但圖像的灰度保持不變,條紋效應被平均。通過灰階擴展處理,消除了圖像色彩變換引起的灰階損失,使顯示器具有更優(yōu)的圖像顯示質(zhì)量。2.7led熱控制電路設計針對特殊使用場合的需求,本設計加入了嵌入式檢測,寬范圍背光控制和低溫加熱控制。嵌入式檢測單元可以實時檢測LCD顯示屏溫度,LED背光溫度,一方面將檢測數(shù)據(jù)通過串行口上報主機,同時根據(jù)LCD顯示屏溫度實現(xiàn)低溫加熱控制,根據(jù)LED背光溫度可以實現(xiàn)高溫限亮。拓寬了顯示器的工作溫度范圍。背光控制方面,設計了如圖7所示恒流LED驅(qū)動電路驅(qū)動背光,具有效率高、外圍電路簡單的優(yōu)點,在FPGA的控制下可實現(xiàn)大于2000級大范圍的線性亮度調(diào)節(jié)。同時為了適應人眼對低亮度下亮度變化更敏感的感知特征,對背光亮度曲線進行校正,使人眼感受顯示器亮度的“線性”變化。圖7中開關恒流驅(qū)動電路還設計了背光狀態(tài)檢測電路,實時監(jiān)測LED工作狀態(tài),具備背光故障在線檢測功能。低溫加熱控制電路包括加熱驅(qū)動電路、高溫保護電路、加熱狀態(tài)檢測電路組成,實現(xiàn)加熱控制、加熱保護和加熱狀態(tài)在線檢測等功能,低溫加熱控制是一個閉環(huán)系統(tǒng),FPGA通過實時采集LCD屏的溫度,在低溫下開啟PWM信號控制加熱驅(qū)動電路,通過加熱組件對屏加熱,消除液晶由于低溫造成的響應延遲,對比度降低等負面效應。PWM的占空比對應加熱功率,LCD屏的溫度和加熱功率之間的動態(tài)關系曲線可通過特定的函數(shù)約定。采用該低溫加熱控制電路后,LCD顯示器可在-45℃環(huán)境下,5分鐘內(nèi)達到正常顯示,鼠標運動無拖尾,色彩和亮度正常。3視頻接口和均衡器通過LCD控制器的研制,我們在一片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)了視頻接口,圖像處理,OSD顯示,嵌入式檢測,背光控制,低溫加熱控制,高溫限亮控制等功能,實現(xiàn)了真正的“SOC”。經(jīng)過試驗驗證,該系統(tǒng)可在寬溫下(-45℃~+70℃)穩(wěn)定工作。其主要性能指標如下:視頻接口:雙DVI-D輸入接口,通過硬線選擇;視頻分辨率:自動適應1920×1200@60Hz以下各種分辨率并放大到滿屏(1600×1200);視頻信號亮度調(diào)節(jié)