摘 要：本文提出了一种led点阵屏实现256级灰度显示的新方法。详细分析了其工作原理。并依据其原理，设计出了基于fpga 的控制电路。
关键词：256级灰度；led点阵屏；fpga；电路设计

引言
256级灰度led点阵屏在很多领域越来越显示出其广阔的应用前景，本文提出一种新的控制方式，即逐位分时控制方式。随着大规模可编程逻辑器件的出现，由纯硬件完成的高速、复杂控制成为可能。

逐位分时点亮工作原理
所谓逐位分时点亮，即从一个字节数据中依次提取出一位数据，分8次点亮对应的像素，每一位对应的每一次点亮时间与关断时间的占空比不同。如果点亮时间从低位到高位依次递增，则合成的点亮时间将会有256种组合。定义点亮时间加上关断时间为一个时间单位，设为t 。表1列出了每一位的点亮与关断的时间分配。
如果定义数据位“1”有效(点亮)，“0”无效(熄灭)，则表2列出了数据从00h到ffh时的不同点亮时间。由表2可知：数据每增1，点亮时间增加t/128。根据点亮时间与亮度基本为线性关系的原理，从0~255t/128的点亮时间则对应256级亮度。当然，这个亮度是时间上的累加效果。如果把一个led点阵屏所有像素对应的同一数据位点亮一遍称为一场的话，那么8位数据共需8场显示完，称为“8场原理”。
理论上讲，8场即可显示出256级灰度，然而通过表2可看出，即使数据为ffh时，在8t时间内也只是点亮了255t/128时间。关断时间可接近6t，点亮时间仅为总时间的约25%，因此，8场原理虽也能实现256级灰度显示，但亮度损失太大。为了提高亮度，可采用“19场原理”，即8位数据分19场显示完，其中d7位数据连续显示8场，d6位连续显示4场，依次递减。表3列出了各位的点亮与关断时间。
由表3可推导出数据从00h~ffh范围的总点亮时间，如表4所示。在19t时间内，最大点亮时间可达近16t， 占总时间的84.21%，远大于“8场原理”的25%。数据每增1，点亮时间增加了t/16 ，该值大于“8场原理”的t/128。所以 ，“19场原理”较“８场原理”的对比度更明显，图像层次分明、表现力强。

电路设计
256级灰度led点阵屏通常要具有能远程同步实时显示计算机视频信号的功能，涉及到的电路包括：数字视频信号的采集、数字信号的格式转换及非线性校正、远程传输及接收、灰度显示控制电路、led点阵显示电路等。 本文重点讨论“灰度显示控制电路”的设计，控制对象以红、绿双基色led点阵屏、1/16扫描显示电路为例。fpga内部电路如图1所示。
因为被控对象为1/16扫描显示电路，所以显示屏每16行只需要一路数据信号即可。drout1、 dgout1即为第一个16行的红、绿基色输出信号；drout2、dgout2为第2个16行的红、绿基色输出信号。以此类推。
ha、hb、hc、hd的二进制编码，定义当前的数据输出应是16行中的哪一行。cp信号为数据串行输出的同步移位脉冲。le信号为一行串行数据输出结束后的锁存脉冲, le每有效一次，ha、hb、hc、hd二进制编码状态增1。ea为灰度控制信号，其宽度为在一个时间单位t内led的点亮时间。当然, 不同的数据位其宽度不同, 具体由表3决定。一个时间单位t即一行串行数据的传输时间，也即le信号的周期，其大小取决于屏宽的像素点数量和cp信号的频率。
drin1~8和dgin1~8为红、绿数据输入信号，分别对应第1个16行点阵区到第8个16行点阵区。cpin为同步脉冲，一个脉冲对应一位数据，8个脉冲对应一个像素点的8位数据输入。h信号为行同步脉冲，一行数据输入结束，h信号有效一次。v为帧同步脉冲，一帧(16行)数据输入结束，v信号有效一次。上述信号均为前级系统提供的信号。
fpga外部接有两组高速静态ram(图中未画出)，dra1~8、dga1~8为a组ram的红、绿数据线，drb1~8、dgb1~8为b组ram的红、绿数据线；/wra、/rda为a组的读、写控制信号，/wrb、/rdb为b组的读、写控制信号；aa0~16为a组的地址线，ab0~16为b组的地址线。使用两组ram的目的是保证对ram的读写操作能同时进行。当写ram(a)时，读ram(b)；当写ram(b)时，读ram(a)。二者的写/读切换由帧信号v控制。v每有效一次，就进行一次切换。
cpin为前级系统提供的写脉冲，同时亦作为写地址生成电路的计数脉冲，计数地址范围为a0~a16, 共128k字节, 其中a0~a2为灰度位数据地址(决定访问8位的哪一位)。a3~a12为x方向的像素地址，a13~a16为y方向的像素地址，即行地址。h信号到来时，清零a0~a12，同时a13~a16地址加1。v信号到来时，a0~a12及a13~a16全部清零。上述地址作为ram的写地址。
clk为读地址生成电路计数脉冲(外电路提供)，计数地址范围亦为a0~a16, 共128k字节, 其中a0~a9为x方向的像素地址，a10~a13为y方向的像素地址，即行地址。a14~a16为灰度位数据地址。上述地址 作为ram的读地址，这些地址的变化规律应符合“19场原理”对地址要求的变化规律，即：a0~a9计满后清零，产生一个行信号即le信号。le信号作为a10~a13的计数脉冲，a10~a13计满后清零，产生一个场信号。场信号作为a14~a16的计数脉冲。不过，a14~a16并不是一简单的