魏　巍, 杨继省

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

基于FPGA的LED显示屏亮度控制方法

魏巍, 杨继省

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

摘要:针对灰度数据在反γ校正后出现损失的问题，设计一种基于FPGA的LED显示屏亮度控制方法。根据亮度显示原理与人眼视觉特性，利用占空比控制进行亮度调整。通过调节高低位非“1”位灰度数据占用子场数,增大点亮时间总和；以及通过增加子场数总和，减小每个子场对应的权重，使得点亮时间总和保持不变两种方式，进而调整点亮时间占总时间的比重。对比实验结果表明，调节点亮时间总和可以使发光效率最高达到76.2%，改变子场数可以达到71.1%，可以减缓因反γ校正导致的亮度损失。

关键词:反γ校正；子场数；点亮时间；发光效率；亮度调节

发光二极管(Light-EmittingDiode,LED)显示屏具有寿命长、发光效率高、色彩显示丰富和维护方便等优点，己广泛用于各个公共场所[1]。它已从最初的高端应用扩展到现在覆盖民生、娱乐等基础应用领域，这就对LED显示技术提出了巨大的挑战。

目前,国内外较为成熟显示技术是同步控制系统和异步控制系统[2]。同步控制扫描系统[3]是指在计算机播放视频的同时LED显示屏正在同步显示，两个画面进行同步播放，它一般用于体育赛场等需要实时显示的场合。异步控制系统[4]是指先将视频存储于存储卡中，根据实际需要调用存储卡中的视频至LED显示屏显示，其方法是基于现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)的彩色LED显示屏异步控制系统。采用ARM系列芯片为主控制单元，对入口的数字视频接口(DigitalVisualInterface，DVI)差分信号进行处理并存储，FPGA芯片为扫描控制单元，分模块进行控制，可以有效简化显示屏的电路结构，提高整个控制系统的灵活性和可靠性。但是,在扫描控制单元中经过反γ校正后得到的视频数据是由原数据直接扩展而来，如果直接上屏显示，势必会导致亮度损失。一般的处理方法是通过亮度数据乘以亮度系数的方法[5]来控制LED显示屏的亮度，这种方法虽然简单，但由于LED正向特性陡峭，加上元件参数的离散性，即使相同的电源，相同限流电阻，每个LED的电流也不尽相同，最终表现为LED的亮度不均匀；另一种方法是提高晶振频率[6]，但这对硬件提出较高的要求，并且还会降低硬件寿命，使控制板的制作更加困难，维护更加频繁，加大了生产成本与维护成本。本文提出一种改变LED显示屏的子场数以及权重的方法调节显示屏亮度，并利用FPGA实现亮度调节。

1基础知识

1.1反γ校正原理

显示设备在保证最终显像亮度和物体真实亮度成线性关系的情况下，可以逼真地达到原始物体的显示效果[7]。然而，非线性显示设备阴极射线管(CathodeRayTube，CRT)需要满足

其中，Xin为输入数据，Yout为输出数据，K为线性系数，γ为指数系统。

反γ校正模块对于原始数据除了进行反γ校正之外还对其8bits的三原色数据进行了色彩度提升的处理，使显示图像更加贴近原始图像。对于原始图像，三原色的灰度级是28=256，提升到16bits后的灰度级是216=65 536，此时输出数据与xin的关系可表示为

由于数据源的不匹配，则必须对原有数据源进行一系列数学处理才能够逼真地显示原始物体，加之灰度级提升处理，这势必会造成数据丢失，最明显的就是灰度丢失。

1.2亮度显示原理

LED显示屏每次扫描移位时，只是显示其中一位，等待下一个周期到来时，再扫描下一个高位数据，由于反γ校正后的灰度级是16bits，那么在扫描显示时最少要显示16次才能无损失，但是这种情况下可能会导致亮度较低或者出现闪烁、以及对比度不均匀等情况。

设最低位点亮的时间为t(单位：s)。第i位(i=0,1,2,…,15)数据位对应的权重为Di，第n位(n=0,1,2,…,15)对应的亮度时间为一个子场时间T(单位：s)。各数据位上的点亮时间为公比是2的等比数列，则

T=2nt(n=0,1,2,…,15),

显示一帧数据需要的点亮时间[8]

显示一帧数据需要的总时间[9]

T[(1-21-n)+(216-n-1)]=

(216-n-21-n)T。

LED显示屏亮度衡量标准是发光效率[10]，为点亮时间和所需总时间的比值。因此，发光效率可表示为

屏幕的刷新率是指电子束对屏幕上的图像重复扫描的次数[11]。它与扫描总时间成反比，则刷新率

由上述分析可知，影响发光效率的因素不只与第n位上的权值Dn有关，还与开始位所用子场时间的整数倍，即该位的点亮时间权值有关。n的取值越小，即开始计算的位数越低，其发光效率越高，亮度也越高。同时，这也反映了最低位点亮时间越长则n值也会越小，但随着n取值变小会导致子场数越来越高，帧数据刷新时间变长，刷新率降低，从而使得画面出现闪烁感，故前期选择一个很合适的n取值是就变得尤为重要。

1.3人眼视觉特性

人眼视觉的建立和消失，都需要一定的反应时间，即具有一定的延迟，这被称为视觉暂留或视觉延迟现象[12]。这种现象为LED显示系统提供了更加简洁的灰度控制方式，即占空比灰度控制方式。通过控制发光二极管的上电时间，即可改变平均发光强度，从而使整幅图像得到生动逼真地显示[13]。在恒定的LED电流作用下，只要扫描频率足够快，人眼感觉不到一个周期内不发光的时间段(即无闪烁现象)，人眼只会感觉到LED显示屏的亮度高低。

2控制亮度的方法

设亮度等级控制的使能信号OE显示的最短时间为tmin，则在改变亮度的同时必须保证最低位的点亮时间t≥tmin。给出调节点亮时间总和，以及保持点亮时间总和不变情况下改变子场数两种方式，通过改变占空比控制LED显示屏亮度。

2.1控制灰度数据点亮时间总和

减少灰度数据占用子场数总和，包括减少占用子场数为非“1”的高位灰度数据的占用子场数，或者增大占用子场数为“1”的低位灰度数据实现时的权重，可以通过增大n值来实现,n值越大表明子场数总和越小，点亮时间总和越短。改进的子场分配方式如表1所示。

表1中的最高位15bit灰度数据的占用子场数由最初设定的32减少为16，而其他高位灰度数据的占用子场数分别减少为8，4，2，1。16位灰度数据的点亮时间总和被减小至32，其发光效率为76.2%。

表1　改进的子场分配方式1

2.2增加子场数总和

保持n值不变，通过增加子场数总和，减小每个子场对应的权重，使得点亮时间总和保持不变，并且高位点亮是低位点亮时间的倍数关系。改进的子场分配方式如表2所示。

表2　改进的子场分配方式2

由表2与表1可知，12bits、11bits、10bits位灰度数据占用的子场数增加4+6+7=17，并且相应的权重均被减小，这种编排方式的发光效率为71.1%。

由于子场数总和增加，则发光效率下降。通过以上两种亮度调节方式控制LED显示亮度，缓解了在反γ校正后的低灰度数据损失问题。

3硬件实现及功能测试

在实现基于FPGA的LED显示屏亮度控制过程中，选用FLEX10K系列芯片，芯片型号是EP10K30，共有146个用户I/O引脚。LED显示屏模组端接收的视频分辨率为256×256，扫描方式为1/16扫，信号有48个RGB数据,4个时钟信号clk1、clk2、sclk1和sclk2，在显示模块中输出行选信号ABCD、使能信号OE、锁存信号STB[14]。每当移位一行结束，则STB信号赋1，进行数据锁存，并且ABCD行信号产生相应的改变。使能信号OE进行显示时间累加计数，一直达到满足条件为止。

显示模块的仿真设计如图1所示，其中ready_stb是由上级模块输入的锁存信号，锁存信号STB的值由其决定，使能信号OE根据对应的field[3:0]数值而显示对应的点亮时间，ABCD行选信号由row[3:0]信号从低位到高位依次表示。

图1　显示模块仿真设计

利用LED显示屏异步控制卡对视频图像进行显示，将视频图像发送给ARM存储FLASH里面，并且并通过上位机的控制软件实现对LED显示屏的控制,显示结果如图2所示。

图2　LED显示屏发光效率及亮度

图2的前3个子图分别为n取9，8和4时，采用减少灰度数据点亮时间总和与占用子场数总和方法调节显示屏亮度的结果，其发光效率分别为94.1%，87.6%和76.2%；图2(d)为n=8时，保持16位灰度数据点亮时间总和并增加子场数总和到17的结果，其发光效率为71.1%，当LED显示屏显示图像亮度低于原始物体亮度时，可以通过增大点亮时间总和的方法提升显示屏显示亮度；当LED显示屏显示图像亮度高于原始物体亮度时，可以通过增加子场数减小点亮时间占总时间的比重降低显示屏显示亮度，以求尽可能达到原始显示效果，减缓因反伽马校正模块中进行一系列非线性数学转换对数据造成的灰度损失问题。

将EP10K30芯片与HUB75板卡正确连接后就可以连接LED显示屏测试，连接图如图3所示。图中J9和J10两个接口各有50个管脚，每个接口输出的三基色视频数据为32个管脚，只需要利用每个接口的24个数据信号，总共48个数据三基色管脚，完全能够满足16+16+16=48个三基色数据输出的要求。

图3　EP10K30芯片与HUB75板卡连接

测试结果表明，调整n可以调节亮度，并且验证了发光效率随着n的增大而减小；在保持n大小不变的情况下也可以通过增加子场数调节LED显示屏的亮度。当n为9时，采用减少灰度数据点亮时间总和与占用子场数总和方法调节显示屏亮度可使其发光效率达到最大，亮度提升最高。

4结语

基于FPGA的LED显示屏亮度控制方法，通过增加点亮时间总和，调整它与扫描总时间的比重，可提升显示亮度；通过增加子场数，减小点亮时间与扫描总时间的比重，可降低显示亮度。测试结果表明，该方法通过两种不同方式提升LED显示屏发光效率，增强亮度，最高可使发光效率达到76.2%；通过控制灰度数据点亮时间总和及子场数确实可以控制LED显示屏亮度。

参考文献

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[责任编辑:祝剑]

FPGA-basedLEDdisplayscreenbrightnessadjustment

WEIWei,YANGJisheng

(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,Xi’anUniversityofPostsandTelecommunications,Xi’an710121,China)

Abstract:A LED display screen brightness control method based on FPGA is designed for the problem of grey data scale loss after the anti-correction. According to the principle of bright display and the human visual characteristics, by adjusting the height of the non - “1” bit grey scale data to increase the total number of light time, and by increasing the number of sub- fields change of sub-field number, the weight of each sub field can be reduced to make sure that the sum of the light time is kept constant, and therefore the proportion lighting time accounting for the total time can be adjusted. The luminance can be adjusted by the way of duty cycle control. Experimental results show that the luminous efficiency can reach 76.2% of its maximum by adjusting total light time and 71.1% by changing sub-field-number and therefore brightness loss caused by anti-correction can be decreased.

Keywords:anti-γ correction, sub-field number, lighting time, luminous efficiency, brightness adjustment

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.03.013

收稿日期：2015-12-01

基金项目：陕西省教育厅科学研究计划资助项目(12JK0541)

作者简介：魏巍(1975-)，男，博士，教授，从事物联网、图像处理研究。E-mail: weigaozu@hotmail.com 杨继省(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为移动通信。E-mail: 1245290356@qq.com

中图分类号：TN915.41

文献标识码：A

文章编号：2095-6533(2016)03-0079-06