基于FPGA芯片对全彩LED大屏幕系统的控制设计
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。
来源；电子工程网
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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。
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图1 dvi-d接口
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图2 dvi-i接口
2 选取存储图像数据的缓冲存储器
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图3 fpga控制全彩大屏幕led系统原理图
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