基于CPLD的LED大屏幕視頻控制系統(tǒng)

1 復(fù)雜可編程邏輯器件概述

復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)最早出現(xiàn)于80年代后期,由于其高速、設(shè)計靈活、成本低、延時可預(yù)測等特點,一經(jīng)面世便得到廣泛的應(yīng)用。世界各主要PLD廠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(fù)雜可編程邏輯器件的特點

與傳統(tǒng)的FPGA相比,CPLD最大的特點在于其延時可預(yù)測性。在互連特性上,CPLD采用連續(xù)互連方式,即用固定長度的金屬線實現(xiàn)邏輯單元之間的互連,避免了分段式互連結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜的布局布線和多級實現(xiàn)問題,能夠方便地預(yù)測設(shè)計時序,同時保證了CPLD的高速性能。用戶的仿真與實際系統(tǒng)集成后無太大的時間差異,不會給系統(tǒng)造成性能的波動,即系統(tǒng)具有穩(wěn)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簡介

Lattice 公司研制的在系統(tǒng)可編程大規(guī)模集成電路(ispLSI)系列芯片具有高密度、高速度和在線可編程等特點[2],使設(shè)計變得容易,并且不需要更改線路板就可以立即更改設(shè)計,代表了大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷陌l(fā)展方向。ispLSI包括以下幾個主要部分:GLB(通用邏輯塊),GRP(集總布線區(qū)),ORP(輸出布線區(qū)),I/O單元和時鐘分配網(wǎng)絡(luò)。

(1) GLBispLSI的基本單元是GLB。每個GLB有18個輸入,4個輸出,以及實現(xiàn)標準邏輯功能的必要邏輯。GLB的輸入來自GRP和專門輸入端,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芯片中部有一個集總布線區(qū),該布線區(qū)在連線延時恒定且可預(yù)知的前提下,提供了完善的片內(nèi)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I/O單元直接連接到一個I/O引腳。每個I/O都可編程為輸入、輸出和雙向單元,并可根據(jù)所需要編程為鎖存或寄存功能。每16個I/O Cell分為一組。8個GLB,16個I/O Cell,一個ORP和2個專用輸入連在一起,組成一個 Megablock(組合模塊)。8個GLB的輸出通過ORP連到16個I/O Cell。每個Megablock共享一個OE信號。

(5) 時鐘分配網(wǎng)絡(luò)以1032 為例,時鐘分配網(wǎng)絡(luò)有4個專用的時鐘輸入端:Y0,Y1,Y2和Y3;另外的一個專用時鐘輸入來自GLB的輸出。5個時鐘輸出:CLK0,CLK1, CLK2,I/O CLK0和I/O CLK1,用來提供到GLB和I/O單元的時鐘線路。CLK0,CLK1和CLK2用作GLB的時鐘信號;I/O CLK0和I/O CLK1則用作I/O Cell的時鐘信號。

2 LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)原理

LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)由于具有亮度高、視角廣、壽命長、性價比高,因此在銀行、交通、廣場、體育場館等公共場合得到了廣泛的應(yīng)用。筆者用按位分時顯示的方法研制了256×256灰度級的LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng),畫面清晰穩(wěn)定,顏色豐富,取得了良好的視覺效果。

視頻控制系統(tǒng)是LED大屏幕視頻顯示系統(tǒng)的核心,它負責產(chǎn)生各種顯示控制信號,對視頻數(shù)據(jù)進行分割、存儲、灰度掃描并按特定的方式輸出數(shù)據(jù)到顯示屏體供驅(qū)動顯示。從電路組成看,視頻控制系統(tǒng)包括計算機箱體內(nèi)的預(yù)處理卡及顯示屏體內(nèi)的可級聯(lián)的視頻控制器單元;視頻控制器單元(或預(yù)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(shù)據(jù)對應(yīng)兩片SRAM存儲器(1024列×8×16 行為1個存儲器單元)8×1位數(shù)據(jù)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(tǒng)中的關(guān)系如圖1所示。

大屏幕顯示范圍為1024列×768行,時鐘頻率65MHz,整個顯示區(qū)域分為6個存儲器單元,每個存儲器單元對應(yīng)1024列×128行數(shù)據(jù),2個存儲器單元及1片控制芯片共同組成一個視頻控制器單元(3個視頻控制器單元可以級聯(lián)控制1024列×768行)。計算機視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)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(jù)時鐘和行、場同步信號對數(shù)據(jù)進行分割并分時寫入到2個存儲器單元內(nèi),視頻控制器的存儲器單元同時讀出的數(shù)據(jù)經(jīng)灰度調(diào)制后變成串行數(shù)據(jù)流,并行輸出到顯示屏體驅(qū)動電路經(jīng)移位后以1行為周期打入到屏體顯示,同時行掃描信號以19行數(shù)據(jù)刷新時間為周期進行垂直掃描。