基于FPGA的大型户外全彩色LED屏控制系统设计

论文摘要

LED大屏幕显示系统是多种技术综合应用的产品,涉及光电电子学、半导体器件、数字电路以及控制技术等,具有发光效率高、使用寿命长、色彩丰富等特点,在多个领域得到广泛应用。LED显示屏自问世以来,经历了飞速的发展,现今,全彩色LED显示屏已经成为了平板显示的一个重要产品。本文设计了基于FPGA的大型户外全彩色LED屏控制系统。在深入研究LED大屏幕显示系统结构和灰度实现、伽马校正等工作原理的基础上,提出了采用DVI接口作为数据源、千兆以太网作为传输媒介、FPGA作为主控芯片的总体设计方案。主要内容包括以下几个方面:1.在深入研究DVI数据输出时序特征、LED屏结构的基础上,以分辨率为1024×768、刷新率为60Hz的视频源作为研究对象,采用verilog硬件描述语言设计了串口通信模块、DVI数据接收模块、SDRAM控制器以及读写缓存RAM模块,实现了基于FPGA的视频数据接收、发送。Modelsim仿真及板级下载调试表明,该系统功能达到设计要求,且具有实时性好、系统稳定等特点。2.分析视频像素数据在系统设计中的组织结构以及存储方式,设计了SDRAM存储控制模块。通过分析SDRAM操作时序的要求,用verilog硬件描述语言实现SDRAM控制器的设计,以便于其它模块对SDRAM的读写操作。该控制器具有较强的灵活性与可扩展性,不仅满足本系统要求,也适用于其他高速数据采集系统。3.分析现有的高速数据远距离传输方式的优缺点,设计了以千兆以太网作为传输媒介的远距离传输系统,以确保对高速数据传输的要求。实际效果表明,该系统能够保证实时、准确、稳定的数据传输。4.在研究LED屏驱动电路结构、灰度实现原理、多线扫描原理等基础上,设计了驱动LED屏显示的扫描控制模块;由于LED屏是线性显示系统,而视频源是非线性系统,为了能真实还原原始图像,实现了对原始数据的反伽马校正;分析了亮度均匀性产生原因和不同解决方法的优缺,提出了基于FPGA和SDRAM的动态修正方法,降低了系统成本。所设计的LED屏控制系统,仿真和测试结果表明,该系统支持多线扫描,分辨率、灰度可调,且可以对LED的亮度不均匀性进行修正,具有较高的市场应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 LED 显示屏系统概述
• 1.2 图像显示相关知识简介
• 1.3 数字逻辑设计简介
• 1.3.1 可编程逻辑器件简介
• 1.3.2 FPGA 设计流程
• 1.3.3 硬件描述语言及EDA 工具简介
• 1.4 课题来源、意义及主要研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题意义
• 1.4.3 课题研究内容
• 1.4.4 论文章节安排
• 2 LED 显示系统总体设计
• 2.1 LED 结构和发光原理
• 2.2 LED 屏灰度显示基本原理
• 2.2.1 LED 显示基本知识
• 2.2.2 LED 灰度形成原理
• 2.2.3 LED 显示屏刷新原理
• 2.3 显示系统的总体方案
• 2.4 本章小结
• 3 发送系统设计
• 3.1 发送系统的原理框图
• 3.2 LED 屏管理工具软件参数的传输模块设计
• 3.2.1 串行通信相关知识
• 3.2.2 串口通讯模块设计
• 3.3 DVI 解码电路的设计
• 3.3.1 DVI 接口基本概念
• 3.3.2 DVI 解码电路框图
• 3.3.3 DVI 解码电路芯片
• 3.3.4 DVI 接口输出波形实测
• 3.4 SDRAM 控制器设计
• 3.4.1 SDRAM 芯片简介
• 3.4.2 SDRAM 控制器的接口信号
• 3.4.3 控制器工作原理
• 3.4.4 控制器初始化操作
• 3.4.5 控制器读写及刷新操作
• 3.5 数据拼接模块
• 3.6 写缓存RAM 和读缓存RAM 模块设计
• 3.6.1 写缓存RAM 模块设计
• 3.6.2 读缓存RAM 模块设计
• 3.7 资源使用情况
• 3.8 发送系统仿真
• 3.9 本章小结
• 4 远距离传输系统的设计
• 4.1 传输电路框图
• 4.2 以太网概述
• 4.3 RTL8212 与FPGA 的接口
• 4.4 本章小结
• 5 接收扫描系统设计及整体系统测试
• 5.1 接收扫描系统的原理框图
• 5.2 扫描控制模块设计
• 5.2.1 数据解析模块
• 5.2.2 数据重组模块
• 5.2.3 数据读写控制模块
• 5.2.4 扫描信号产生模块
• 5.2.5 锁存信号产生模块
• 5.2.6 使能信号产生模块
• 5.2.7 行选信号产生模块
• 5.3 反伽马校正
• 5.3.1 GAMMA 校正原理
• 5.3.2 LED 显示屏反GAMMA 校正
• 5.4 LED 屏亮度均匀性优化研究和设计
• 5.4.1 LED 亮度差异
• 5.4.2 LED 屏亮度均匀性优化系统结构图
• 5.4.3 LED 屏亮度均匀性模块设计
• 5.5 系统仿真
• 5.6 系统测试及资源占用率
• 5.6.1 系统效果测试
• 5.6.2 资源占用率
• 5.7 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及得奖情况