基于FPGA控制的動態(tài)背光源設(shè)計方案

引言

當(dāng)代LCD 顯示大部分采用的是冷陰極射線熒光燈（CCFL）背光或LED 靜態(tài)背光，由于CCFL 亮度不易控制并且響應(yīng)速度慢，造成能源浪費和動態(tài)模糊。LED 靜態(tài)背光效果雖好，但是其耗能也較為嚴(yán)重，另外恒定亮度的背光使得圖像的對比度下降，顯示效果不理想。對圖像RGB 像素進(jìn)行分析，在某些區(qū)域適當(dāng)?shù)夭捎玫鸵患壛炼鹊腖ED 背光，不僅可以節(jié)能，而且會擴大圖像顯示的對比度，消除動態(tài)模糊現(xiàn)象。

　　1 設(shè)計方案及其原理

動態(tài)背光源表面上是個整體，其實內(nèi)部在制作原理圖時已經(jīng)將之分成多個區(qū)域，分別控制其各自的亮度?？芍彻鉄舻拿芗仍礁撸瑒澐值膮^(qū)域越多、面積越小，顯示出來的整體效果會越好。但是從成本、經(jīng)濟價值、制作工藝、節(jié)能等方面綜合考慮，可知燈的數(shù)目不可能無限多，劃分的區(qū)域也不會無限密集，但是總可以找到一個最合適的設(shè)計規(guī)格。

RGB 色彩模型是工業(yè)界的一種顏色標(biāo)準(zhǔn)，通過RGB 模型為圖像中每一個像素的RGB 分量分配一個0～255 范圍內(nèi)的強度值。RGB 圖像只使用三種顏色，按照不同的比例混合， 理論上在屏幕上呈現(xiàn)16,777,216 種顏色。在本系統(tǒng)只有RGB 各個分量不能直接得到我們需要的亮度控制參數(shù)Ki，需要經(jīng)過FPGA運算得到圖像各個像素的灰度值，然后再計算。

對圖像進(jìn)行灰度計算的基本思想是將每個像素的RGB 三種顏色成份的值取平均，然而由于人眼的敏感性，這種做法效果并不好，應(yīng)該是每個分量需有一定的權(quán)重，計算公式如下所示。

（1）為灰度計算公式，可直接由RGB 各個分量計算得到像素的灰度值，當(dāng)然可以整體的放大或縮小，即乘以一個共同的系數(shù)。

（2）為由像素灰度求亮度公式，其中Tmax 為最大透過率，在同一個系統(tǒng)中為一固定值，可不予關(guān)注，γ 為RGB 像素矯正因子，B 為背光源亮度值。

　　當(dāng)背光源的亮度變?yōu)樵瓉淼?/λ即B' 時，為了使人眼觀察灰度C' 像素的亮度不發(fā)生大的變化，應(yīng)使兩次得到的值一致，即：

令：

解方程可以求得：

一般情況下，灰度的調(diào)節(jié)由8bit 數(shù)據(jù)控制，即可以將灰度值由0～255，分成256 份，其中每一份代表一個灰度級別（本實驗中所使用驅(qū)動芯片的灰度級別為4,096）。所以可以令控光參數(shù)Ki：

其中Cmax 為各個分割區(qū)域中的最大灰度值，Ci為各個相應(yīng)區(qū)域的最大灰度值，計算得到的區(qū)域控光參數(shù)Ki 來調(diào)節(jié)FPGA 的輸出，來調(diào)節(jié)背光板亮度，從而可以得到校正后各個像素的RGB 值分別為：

如方案圖所示，最后將由控制器輸出的行、場同步信號和校正后的RGB 信號等傳輸給LCD 板。

方案中SDRAM 的主要作用有兩個：一是在FPGA 處理不及時的情況下，用來存儲從圖形控制器傳過來的行、場同步信息和RGB 數(shù)據(jù)信息等；二是存儲FPGA 處理過的數(shù)據(jù)，單LCD 板未來得及處理的信息。這樣設(shè)計的目的在于達(dá)到數(shù)據(jù)不丟失，信息傳輸更及時的效果。

2 驅(qū)動電路設(shè)計

在驅(qū)動芯片的選擇上， 我們用TI 公司的TLC5947，每個通道由12bits PWM 脈寬調(diào)制，具有24 路輸出通道，所以一個數(shù)據(jù)傳遞周期將會接收288bits 數(shù)據(jù)。芯片所需電壓為3.0～5.5V，有溫控系統(tǒng)，當(dāng)芯片的溫度過高時會自動斷開，以保護芯片。

從芯片的引腳25 可以看出，此款芯片支持級聯(lián)，可以多個芯片共同工作以驅(qū)動更大規(guī)模的顯示屏幕。從引腳1 到引腳24，每個輸出通道由12bit輸入數(shù)據(jù)來控制，其內(nèi)部含有4MHz 的晶振，輸入數(shù)據(jù)與212 即4,096 的比值即為輸出脈沖的占空比，從而實現(xiàn)對背光源相應(yīng)區(qū)域的PWM 調(diào)制。從中可知，TLC5947 將灰度分為4,096 級，我們可以大尺度、精密地細(xì)分背光源的亮度，以達(dá)到更好動態(tài)背光效果。

圖2 TLC5947 引腳注釋

驅(qū)動電路中的電阻由所驅(qū)動LED 燈的電流決定，具體詳情可以參考TLC5947 配置表格（如表1所示）。芯片對輸入的SCLK、XLAT、BLANK 等信號有嚴(yán)格的時序要求，電源與地之間的電容主要起到一個濾波作用，盡量值選大些。

表1 配置電阻與驅(qū)動電流的關(guān)系

圖3 背光源驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

本款芯片的控制信號由Altera 公司的型號為EP1C3T144C8 的開發(fā)板供給，晶振為50MHz。

從實驗得到的效果來看，該款芯片的數(shù)據(jù)傳輸機理為：每個傳輸周期，每遇SCLK 上升沿將會從SIN 口讀入1bit 數(shù)據(jù)存入寄存器，在SCLK 下降沿時，將讀入的數(shù)據(jù)從SOUT 傳出（內(nèi)部對數(shù)據(jù)仍有保留） 輸給下一級，直至讀入288bits 數(shù)據(jù)。每12bits 為一組，分別送到各自的通道，并且每組數(shù)據(jù)先讀入的居于較高位，然后依次排列。例如，讀取的數(shù)據(jù)按時間先后排列為1、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0、0，則相應(yīng)的控制信號為100000000000，那么控制通道的占空比即為：

根據(jù)PWM 調(diào)制面積相等的原則，有效電壓約為提供電壓的一半。

按照仿真條件的要求，SCLK 時鐘信號需要在每接收完288bits 時有段時間的低電平，盡量滿足芯片的時序要求。另外，控制信號BLANK 在每個周期空閑時（不傳輸數(shù)據(jù)時），需要有個高電平變換，這樣可以將鎖存器里面的數(shù)據(jù)清零，以便接受新一輪的控制數(shù)據(jù)，否則，燈的亮度明顯會偏暗。

RGB 數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA 的處理，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的灰度值，然后再計算出相應(yīng)的控光參數(shù)Ki （我們可以分的灰度級別不超過4,096），傳輸給TLC5947的SIN，即可以實現(xiàn)動態(tài)背光調(diào)節(jié)。

圖4 輸入輸出信號設(shè)置

圖5 信號仿真圖

圖6 PWM 調(diào)制輸出波形

　　4 結(jié)論

通過理論分析和實驗測試，動態(tài)背光調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在節(jié)能和提高圖像顯示對比度等方面做得都較好，這在重視節(jié)能減排、建設(shè)和諧社會的今天以及對LCD 顯示器的未來發(fā)展都具有很好的應(yīng)用前景。

圖7 即通過FPGA 控制以及基于圖像像素控制得到的動態(tài)背光調(diào)節(jié)效果圖，從中可以看到，如果在以前LCD 靜態(tài)背光的條件下，則所有背光LED 燈的亮度將會和最亮的（右下角）一致，而現(xiàn)在我們將之分割為各個不同區(qū)域，使得每個區(qū)域均有自己的最佳亮度，而不必以整個圖像最亮一點為標(biāo)準(zhǔn)，并且不影響顯示效果。這樣，也就實現(xiàn)了我們預(yù)期的動態(tài)調(diào)節(jié)的目的。

圖7 背光源效果圖