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1、计算机信息工程学院毕业设计说明书摘要 随着社会的进步，人们更多的关注于显示系统的高清晰度、高灰度级和高还原度。基于改进灰度等级的TFT-LCD显示系统已经成为各个领域发展的重要组成部分，具有十分重要的研究意义。本文分析和研究了传统的电压幅值、脉宽调制等传统灰度调制方法，分析其制约提高TFT-LCD显示系统的因素，提出了采用混合多种传统灰度调制方法提高TFT-LCD显示灰度级的方法，重点研究了混合灰度调制中的Bayer抖动算法，旋转抖动矩阵算法等混合灰度调制的实现方法，并给出了混合灰度调制算法的FPGA实现方案。本文设计提出和研究了一种时间和空间上的混合灰度调制的TFT-LCD显示平台。在设计整
2、个TFT-LCD结构和混合灰度调制原理的基础上，实验采用了ALTERA公司Cyclone系列FPGA为核心控制器，以Quartus II软件为FPGA设计平台，采用自顶向下的FPGA设计方法，设计了以FPGA为控制核心的TFT-LCD显示系统。结合混合灰度调制原理，开发了基于AD9984A的VGA数据采集、AD转换模块、数字图像预处理模块、FIFO控制模块、LVDS控制模块以及混合灰度调制算法实现等主要功能模块，实现了对模拟图像信号VGA的采集、模数转换、存储和混合灰度调制，提高了图像的清晰度以及系统集成度和稳定性。本文最后搭建了整个系统的硬件平台，并对TFT-LCD系统进行测试与验证。从对F
3、PGA的综合和仿真结果以及TFT-LCD的显示效果来看，系统能够正确可靠的工作，且系统的显示灰度效果有一定程度提高，初步达到了预期目标。关键词：TFT-LCD；混合灰度调制；抖动算法；FPGAAbstractTHE STUDY AND DESIGN OF HIGH GRAY-SCALE DISPLAY SYSTEM BASED ON TFT-LCDAbstractWith the progress of society,people pay more attention to high definition, high grayscale display systems. TFT - LCD
4、display system based on improved grey scale all areas has become an important part, plays very important research significance. In this paper ,we analyze some traditional gray modulation method such as traditional voltage amplitude, pulse width modulation and the analysis of the factors of improveme
5、nt of TFT - LCD display system, using hybrid variety of traditional gray modulation method is presented to increase the TFT - LCD display grayscale method, focuses on the dynamic jitter in the mixed gray modulation processing, and presents a hybrid algorithm for calculating grayscale modulation of t
6、he FPGA implementation scheme. In this paper ,we proposed and studied a kind of time and space on a mix of gray modulation TFT - LCD display platform. In the design of the whole TFT - LCD structure and mixed gray modulation principle, on the basis of the experiment adopted series of ALTERA company C
7、yclone FPGA as the core controller, with the Quartus II software for FPGA design platform, using the top-down FPGA design method, designed with the FPGA as the core of TFT - LCD display system.Combined with the mixed gray modulation principle, developed on the basis of AD9984A VGA data collection, A
8、D conversion module, digital image preprocessing module, FIFO control module, an LVDS control module and the main functional modules, such as mixing gray modulation algorithm realizing the collection of the analog image signal VGA, modulus conversion, storage, and mixed gray modulation, improves the
9、 resolution of the image as well as system integration and stability. Finally, the paper set up the hardware platform of the whole system, test and verify on the TFT - LCD system. From comprehensive and simulation results of FPGA and TFT - LCD display, the system can be worked accurately and reliabl
10、e, and the system have a certain degree to improve the effect of display gray, preliminary reached the expected goal.Key words: TFT-LCD；Hybrid Grayscale Modulation；Dithering algorithm；FPGA计算机信息工程学院毕业设计说明书第一章绪论11.1 研究背景11.2研究内容及意义11.3 论文安排2第二章 FPGA开发技术及硬件描述语言42.1 FPGA简介42.2 Quartus II 开发平台42.3 FPGA设计
11、流程图52.4 硬件描述语言Verilog HDL72.4.1 Verilog 硬件描述语言的主要能力72.4.2 模块设计82.5 小结8第三章 灰度调制93.1 传统灰度调制方法93.1.1 传统灰度调制介绍93.1.2 传统灰度调制比较103.2 混合灰度调制113.2.1混合灰度调制原理113.2.2混合灰度调制数据处理过程123.3 小结12第四章 TFT-LCD图像显示系统硬件设计134.1 总体设计方案134.2 VGA信号采集及D/A转换模块134.2.1 AD9984A的器件特性与结构134.2.2 AD9984A的寄存器配置144.2.3 AD9984A接口电路设计184.
12、3数据存储模块194.3.1 FIFO控制模块194.3.2 SDRAM模块电路设计194.4 LVDS接口电路设计204.5系统电路设计214.6 系统的PCB设计234.7 小结24第五章 TFT-LCD图像显示系统软件设计255.1 FIFO控制及数据存储模块255.1.1 FIFO 控制模块工作原理255.1.2 SDRAM读写模块265.2数字图像预处理模块275.3混合灰度调制模块285.4 小结28第六章 抖动技术的实现296.1 抖动算法296.2 传统Bayer抖动算法296.2.1 传统Bayer抖动算法具体实现方法296.2.2 传统Bayer抖动算法的优缺点及改进方法3
13、06.3 动态旋转抖动矩阵316.3.1动态抖动矩阵基本原理316.3.2动态抖动矩阵具体实现336.4 小结37第七章 系统功能模块仿真与FPGA验证387.1 抖动算法功能模块仿真387.1.1 Bayer抖动算法波形仿真397.1.2 动态抖动矩阵算法波形仿真407.2 FPGA平台验证417.3 小结43第八章 总结与展望448.1 总结448.2展望44致谢46参考文献47附录148附录249附录351附录452前言 随着人们物质生活水平的提高，人们对于图像显示的高清晰度，超高灰度级和高还原度的要求越来越严格。传统的显示器如CRT（阴极射线显像管显示器）已经逐渐淡出了人们的实现，取而
14、代之的是平板显示，其中尤以TFT-LCD（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display）的应用面最广。 基于TFT-LCD显示屏的研究一直在追求显示图像和视频的高清晰度，超高灰度级和高还原度。我们不仅要将我们的目光聚焦在TFT-LCD面板材料的改进和图像编码压缩或前端处理，我们还需要充分注意到人的视觉和物理发光体的数字图像信息转换过程之间的关系。以找到高分辨率的TFT-LCD的定时控制和灰度控制方法。在实现灰度等级的提高的探索过程中，采用了一些传统的、单一的灰度调制方法。本文以“高灰度级TFT-LCD显示系统的实现”为题旨在探索一种基于传统灰度调制方法
15、的混合灰度调制方法，以求得对传统灰度调制方法的完善和补充。基于这样的背景，本文主要研究了混合灰度调制法中的空间抖动算法，首先对其在实际应用中会出现波纹现象和块状现象进行了分析论述；其次提出了利用旋转抖动算法来解决传统抖动算法的不足；最后，使用Quartus II对设计进行时序仿真和利用FPGA平台进行验证。实验结果表明，旋转抖动算法很好的实现了预期的功能，达到了要求的显示效果。III计算机信息工程学院毕业设计说明书3第一章 绪论1.1 研究背景随着科学技术发展，电子显示技术也在不断更新换代，从传统的CRT(Cathode Ray Tube，阴极射线管)发展到平板显示(Flat Panel Di
16、splay, FPD)。展望未来几年，中国LCD 产业无论是在产业规模还是产业地位方面都会有很大的提升。TFT-LCD(Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，薄膜晶体管液晶显示器)其具有体积小，功耗低，无辐射，平面直角显示和影响稳定等优点。基于TFT-LCD技术上的日趋成熟以及其自身的众多优良特性，它很快的被应用于医疗系统、电视、个人电脑等各个领域。迅速成为新世纪以来，显示器市场的主流产品。在FPD市场，液晶显示器，液晶产品占80%以上的市场份额，占有绝对优势地位。高分辨率大尺寸TFT-LCD是电子显示技术研究的优先主题。在TFT-LCD产业链
17、中，控制和驱动电路设计是一个非常重要的组成部分。随着TFT-LCD面板尺寸的不断扩大，对灰度等级的要求越来越高，控制和驱动电路的设计的难度也越来越大。使用最低成本将原始图像在TFT-LCD上生动地再现，带给人强烈的视觉冲击感，一直以来都是TFT-LCD从业者，尤其是控制和驱动电路设计师一直追求的目标。日本是最早从美国获得LCD技术的国家，一直在全球的LCD市场中居统治地位，而且掌握TFT-LCD制造的核心技术。韩国和中国台湾也掌握大量的TFT-LCD的生产制造技术和驱动技术。我国的TFT-LCD技术起步较晚，而且在TFT-LCD显示驱动研究方面落后于其他国家，最近几年，随着政府对TFT-LCD
18、产业的重视,技术和研究的进步也很明显。研究的重点多集中于高清晰显示面板灰度级的提高和大面积液晶显示面板驱动的实现。TFT-LCD薄膜晶体管液晶显示器利用电压控制来产生灰阶。其利用薄膜晶体管来产生电压，以控制液晶转向的显示器，因此称为TFT-LCD。但如何控制电压以便显示出怎样的灰阶是由LCD源驱动来决定的。但随着液晶面板尺寸和灰度等级不断提高，传统的TFT-LCD驱动器已不能满足实际需求，找到一种适用于大屏幕，高清晰度TFT-LCD的时序驱动器，将会对TFT-LCD产业的发展前景产生重大影响。本设计正是基于这样的背景，研究了TFT-LCD高清晰显示抖动算法驱动器。1.2研究内容及意义对TFT-
19、LCD的研究一直在追求显示图像和视频的高清晰度、超高灰度级和高还原度。但是，我们不仅要将我们的目光聚焦在TFT-LCD面板材料的改进和图像编码压缩或前端处理，我们还需要充分注意到人的视觉和物理发光体的数字图像信息转换过程之间的关系。以找到高分辨率的TFT-LCD的定时控制和灰度控制方法。这将会对TFT-LCD产业的发展前景产生重大影响。随着灰度等级的不断提高，使用传统的灰度调制方法已经越来越难以满足日益进步要求。例如，为了实现超高灰度显示，电压幅值调制方法要求具有足够高的灰度级电压精度，时间调制法如FRC（帧速率控制调制法）、PWM（脉宽调制法）则要求具有足够快的数据传输速度。实际上，要想彻底
20、的解决这些问题却是相当困难的。为了克服这些难题，本文提出了基于传统灰度调制方法的混合灰度调制法，即将几种传统灰度调制法有机结合的方法，但仍然存在着一些不足之处。基于这样的研究背景，本文对混合灰度调制法中核心部分即抖动算法存在的不足之处进行了改善和补充，以完善图像显示的缺陷。灰度，即图像清晰度，是图像显示的一项重要的性能参数指标，决定了能否在TFT-LCD上高保真的还原原始图像，也决定了TFT-LCD显示屏能否满足市场各个领域的要求。因此，本课题的研究具有十分重要的意义。本文主要内容如下两个方面：1.TFT-LCD显示系统灰度调制理论 当显示灰度等级不断提高时，传统的灰度调制方法将不能满足高灰度
21、调制的要求，如电压幅度调制要求更高的电压精度，PWM和FRC要求更高的响应速度。为解决这个技术瓶颈，需要找到一种适用高灰度显示的调制方法。本文介绍了一种将传统灰度调制方法有机结合的混合灰度调制方法。2.高清显示中抖动算法的实现抖动算法是将数据分配到相邻的像素点上去，从而解决输入显示终端所能显示的灰度等级与输入信号不匹配的问题。传统的抖动算法在处理动态图像时有很好的效果，但处理静态图像时，会产生明显的方块效应，其产生原因是传统抖动算法在处理不同数据时采用了相同的抖动矩阵，为消除这个缺陷，本文提出了利用变化的旋转抖动矩阵对不同数据进行不同的处理，从而消除方块效应。1.3 论文安排第一章-绪论。主要
22、介绍课题的研究背景、主要研究内容、研究意义及论文整体安排。第二章- FPGA开发技术及硬件描述语言。主要介绍FPGA技术、设计流程、开发平台以及硬件描述语言Verilog HDL。第三章- TFT-LCD灰度图像显示。简单介绍传统灰度调制方法，主要分析传统灰度调制方法的缺点以及有待改进的部分，介绍混合灰度调制的数据处理过程。第四章- TFT-LCD灰度图像显示系统设硬件设计。重点介绍系统设计的总体方案以及各个模块的具体硬件电路设计。第五章- TFT-LCD灰度图像显示系统设软件设计。重点介绍系统设计各个模块的具体软件设计。第六章-抖动技术的实现。介绍抖动技术的原理与算法，对传统Bayer抖动算
23、法进行分析，并对抖动算法在实际中应用发现的不足加以改进，根据理论分析提出旋转抖动算法和具体实现。对于旋转抖动算法，通过不断调整抖动矩阵中不同阈值的相对位置，消除了块状效应，并从理论上推导出对于不同的帧所采用的抖动矩阵的具体形态。第七章-系统功能模块仿真与FPGA验证。对功能模块进行了仿真，并根据需要搭建了相应的FPGA验证平台对抖动算法进行验证。第八章总结与展望。主要对本文开展的研究工作进行总结，同时分析了有待研究和有待完善的问题，为将来的进一步的研究开拓思路打下基础。计算机信息工程学院毕业设计说明书第二章 FPGA开发技术及硬件描述语言 FPGA是英文Field Programmable G
24、ate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在可编程阵列逻辑PAL(Programmable Array Logic)、门阵列逻辑GAL(Gate Array Logic)、可编程逻辑器件PLD(Programmable Logic Device)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它最为专用集成电路（ASIC）领域中的一种数字集成电路的半成品，在其芯片上按一定排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件，不仅解决了定制电路的不足，而且还克服了可编程器件具有有限个门电路数的缺点。采用FPGA设计，可以完成任何数字器件的功能。通过修改设计，在无需改变硬件电路的条件下，大大的降低设计时间，
25、减少PCB面积，提高系统的可靠性。2.1 FPGA简介FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。（3）FPGA内部有丰富的触发器和IO引脚。（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。（5
26、）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同
27、一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活2.2 Quartus II 开发平台本文采用Altera公司的FPGA开发平台QUARTUS II软件是一个全面的开发工具，它集成了Altera的FPGA开发流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口，该综合开发工具为每个阶段的设计提供QUARTUS II图形用户界面，EDA工具界面和命令行界面，设计者可以方便地创建、组织和管理自己的设计。QUARTUS II是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、Verilog HDL以及AHDL（Altera Hardware Descript
28、ion Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。QUARTUS II可以在XP、Linux以及Unix上使用，提供了完善的用户图形界面设计方式。QUARTUS II运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用。2.3 FPGA设计流程图FPGA设计流程至少包括设计输入、仿真、综合、布局布线4个步骤。如图2-1所示，将设计细分为8个步骤。开始设计前，应定义系统的规格（Spec），例如输入与输出管脚、工作频率、工作电压、允许消耗功率等，最好能够将系统划分为多个功能模块，并详细描述每个功能那块的功能。数字电路设计可采取由自上而下
29、设计、自下而上或平坦设计，第二步架构设计就是确认每个功能块的设计顺序。设计输入软件通常提供以电路图、HDL（硬件描述语言）或两者的混合设计。电路图的设计方式相当直接、方便、只要略懂逻辑电路设计，都可直接绘图设计。但是以HDL设计，才可兼具可移植性与标准化。不论是哪种设计，设计软件都会转换为HDL，以便进行仿真、综合等功能。仿真是验证设计的正确性，包括功能仿真与时序仿真。功能仿真在综合与布局布线之前，忽略时间延迟因素，只就逻辑功能进行仿真。而时序仿真则是在布局布线之后，考虑时间延迟问题。综合是由HDL产生布局布线要使用的网表，与相对应的约束条件，综合直接影响逻辑门的使用效率和设计性能。布局布线是
30、利用综合生成的网表，在FPGA内部进行布局与布线，并且产生可用于布局FPGA的位文件（.bit）。布局布线需要使用FPGA生成厂商提供的工具软件，如Xilinx的Foundation Series和Alliance Series，Altera的QUARTUS II和Max+plus II。设计的最后步骤是使用实际设计的硬件电路进行测试，以确认设计无误。图2-1 FPGA设计流程图说明：本课题使用QUARTUS II进行FPGA设计开发。其设计流程如图2-2所示：图2-2 Quartus II的设计流程图利用QUARTUS II软件进行FPGA或CPLD设计开发，如同自行设计集成电路一样，可节省
31、电路开发的费用和时间。2.4 硬件描述语言Verilog HDLVerilog HDL语言是目前应用最广泛的硬件描述语言之一，它允许设计者用其来进行各种级别的逻辑设计，以及数字逻辑系统的仿真验证、时序分析和逻辑综合。Verilog HDL语言与VHDL的共同的特点是：能抽象表示电路的行为和结构，支持逻辑设计中层次与范围的描述，可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，支持电路描述由高层到低层的综合转换，硬件描述与实现工艺无关（有关工艺参数可通过语言提供的属性包括进去），便于文档管理，易于理解和移植。Verilog HDL语言的最大优点是：它是一种非
32、常容易掌握的硬件描述语言，只要有C语言的编程基础，通过一段时间的学习和简单操作，可以在较短时间内掌握这种设计技术。 2.4.1 Verilog 硬件描述语言的主要能力 下面列出的是Verilog HDL硬件描述语言的主要能力： 基本逻辑门，例如and、or和nand等都内置在语言中。 用户定义原语（UDP）创建的灵活性。用户定义的原语既可以是组合逻辑原语，也可以是时序逻辑原语。 开关级基本结构模型，例如pmos 和nmos等也被内置在语言中。 提供显式语言结构指定设计中的端口到端口的时延及路径时延和设计的时序检查。 可采用三种不同方式或混合方式对设计建模。这些方式包括：行为描述方式，使用过程化
33、结构建模；数据流方式，使用连续赋值语句方式建模；结构化方式，使用门和模块实例语句描述建模。 Verilog HDL中有两类数据类型：线网数据类型和寄存器数据类型。线网类型表示构件间的物理连线，而寄存器类型表示抽象的数据存储元件。 能够描述层次设计，可使用模块实例结构描述任何层次。 设计的规模可以是任意的；语言不对设计的规模（大小）施加任何限制。 Verilog HDL不再是某些公司的专有语言而是IEEE标准。 人和机器都可阅读Verilog HDL 语言，因此它可作为EDA的工具和设计者之间的交互语言。 Verilog HDL语言的描述能力能够通过使用编程语言接口（PLI）机制进一步扩展。PL
34、I是允许外部函数访问Verilog 模块内信息、允许设计者与模拟器交互的例程集合。 设计能够在多个层次上加以描述，从开关级、门级、寄存器传送级（RTL）到算法级，包括进程和队列级。 能够使用内置开关级原语在开关级对证约束条件，例如输入值的指定。 Verilog HDL 能够监控模拟验证的执行，即模拟验证执行过程中设计的值能够被监控和显示。这些值也能够用于与期望值比较，在不匹配的情况下，打印报告消息。 在行为级描述中，Verilog HDL不仅能够在RTL级上进行设计描述，而且能够在体系结构级描述及其算法级行为上进行设计描述。 2.4.2 模块设计 使用Verilog描述硬件的基本设计单元是模块
35、（module）。构建复杂的电子电路，主要是通过模块的相互连接调用来实现的。模块被包含在关键字module、endmodule之内。实际的电路元件。Verilog中的模块类似C语言中的函数，它能够提供输入、输出端口，可以实例调用其他模块，也可以被其他模块实例调用。模块中可以包括组合逻辑部分、过程时序部分。例如，二与门电路用Verilog语言描述如下：Module and_2(A,B,F); /模块名为and_2，端口列表A,B,F input A,B; /模块的输入端口为A,B output F; / 模块的输出端口为F wire A,B,F; /定义信号地数据类型 assign F=A&B;
36、 /逻辑功能描述endmoudle一个模块可以大到代表一个完整的系统，也可以小到仅代表最基本的逻辑单元。模块内部具体行为的描述或实现方式的改变，并不会影响该模块与外部之间的连接关系。一个Verilog模块可被任意多个其他模块所调用，但由于Verilog HDL所描述的是具体的硬件电路，一个模块代表具有特定功能的一个电路块，每当它被某个其他模块调用一次，则在该模块内部，被调用的模块将原原本本的复制一次。在模块中，可用下述方式描述一个设计：1) 数据流方式;2) 行为方式;3) 结构方式;4) 上述描述方式的混合。2.5 小结本章介绍了FPGA开发技术，Quartus II开发平台，Verilog
37、 HDL硬件描述语言的主要能力以模块化设计。本系统采用Altera公司的EP1C6Q240C8为核心开控制器，采用模块化进行程序设计，简化了外围电路的复杂度，使开发更加灵活。7计算机信息工程学院毕业设计说明书第三章 灰度调制3.1 传统灰度调制方法灰度显示即使TFT-LCD屏上的显示像素产生多种可选的亮度等级，其亮度等级的选择由图像采集的二进制的灰度数据决定。从另一个角度来说，灰度显示就是实现二进制灰度数据空间G到亮度空间L的映射，如框图3-1所示。图3-1 传统TFT-LCD显示流程框图改变像素亮度，实现多种的亮度等级有多种的映射方法：（1）根据液晶器件显示的工作原理，通过调节电压和液晶的状
38、态来改变输出亮度，上述框图所示的就是应用了这个原理。（2）从空间角度出发，即改变发光面积。（3）从时间角度出发，考虑人眼的特性，改变光脉冲的时间宽度和频率。如采用脉冲宽度调制（PWM）、帧频调制（FRC）等方式。下面将介绍各种灰度调制的基本原理。 3.1.1 传统灰度调制介绍灰度调制实现像素数据从灰度空间到亮度空间的映射，有多种不同的映射方法。常用的灰度显示方法有：1.根据液晶器件的工作原理，通过改变电压、调节液晶状态来改变输出光强的电压组合法。 通过给液晶层施加不同的电压值来改变液晶的偏转角度，进而改变光线的透过率和输出光的强度，这样就可以实现灰度显示，因此，实现电压幅值调制灰度法，需要考虑
39、的是如何将数字图像信号转换为不同的灰度电压值，且一一对应。在实际的TFT-LCD驱动系统中，采用DAC来实现二进制数字图像信号到灰度电平的转换。采用电压幅值灰度调制法时，需要考虑电压精度的问题。2.从空间的角度出发，使用面积控制方式，改变发光面积的面积灰度调制法。使用一定数目的点作为一个单元，通过控制各单元处于点亮状态的点数，来控制不同的灰度显示，从空间上改变液晶的显示状态，达到灰度等级的控制，该方法驱动电路简单。采用面积灰度调制法时，需要考虑空间大小的问题。3.从时间的角度出发，考虑人眼的时间暂留特性，通过改变光脉冲的时间长度、次数。实现不同的灰度级的如PWM（脉冲宽度调制法）、FRC（帧速
40、率控制调制法）。PWM（脉冲宽度调制法）就是通过调整电压脉冲宽度调制来实现灰度。PWM调制方法是一种时间调制法，也称为占空比的方法，即通过控制驱动电压或电流脉冲中高脉冲的占空比，以实现灰度控制。 FRC是将每个时间片变成了一个子帧，显示64级灰度，那么就要用64个子帧(sub-frame)。我们采用下面的方法定义子帧的概念。帧频是指1秒内扫描全屏数据的次数，为了实现FRC，我们进一步将一帧划分为若干个子帧。FRC其实就是采用相应比特数的帧间延展控制的方法实现不同灰度等级。由于人眼的视觉惰性，感觉出的亮度是所有于帧的累加。采用FRC调制，同样要考虑TFT-LCD面板的响应速度。 3.1.2 传统
41、灰度调制比较 各种灰度调制方法有其各自的特点： 电压灰度调制方法利用器件发光强度与驱动电流或电压幅值成线性关系来实现灰度的变化，这种控制方法没有特殊的控制技巧，容易实现，但是随着灰度级别的提高，各灰度等级所对应的电压值间距变小，从而对电压的精度要求越高，增加了细加工的成本，实现难度也相应提高。面积灰度调制法使用一定数目的点作为一个单元，控制各单元处于点亮状态的点数，来控制灰度的差异，该方法驱动电路简单，但是使用多像素点区分灰度级，单个像素点占用显示面积增大，使得显示分辨率降低。PWM通过控制脉冲的占空比来实现灰度级别的控制，按照每个脉冲的高低电平的通断时间来导通或断开电压，这样导通和断开的时间
42、占脉冲的时间不等，可以区分很多的灰度级，这种方法灰度级的区分度很高，但是随着灰度级的增加，每个脉冲所占用的时间片就很短，LCD本身不能快速响应这些短时间片的驱动信号，因而也限制了待显示灰度电平的数目。FRC是将每一个时间片分成了多个子帧，在每一个子帧中像素点的亮、熄有固定的时间，根据像素数据改变子帧中该像素点的亮、熄来区分灰度级别，PWM和FRC这两种方法都是从时间的角度出发，考虑人眼的视觉特性，通过改变光脉冲的时间长度，次数来实现不同级别的灰度，这两种方法都须使用高时钟频率的控制器才可以实现高灰度级显示。传统灰度调制法相关控制方法综合分析如下表3-2所示。表3-2 常用灰度控制方法综合分析方
43、法原理特点适用范围幅值法器件发光强度与驱动电流或电压幅值成线性关系容易实现，精度低LED,OLED电压组合法驱动电压幅值按一定步长划分成多个子电压来组合灰度精度低LED,OLED面积灰度调制每一定数目的像素点作为一个单元，控制各个单元处于点亮状态的点数电路简单，驱动及控制电路增加，分辨率低LED,OLED,LCD脉冲宽度调制（PWM）输出驱动脉冲的占空比与数据大小成正比时间复杂，要求显示屏有较高响应速度FED,OLED,LED帧速率控制法（FRC）一定数量的帧作为一个时间单元，控制该单元内处于点亮状态的帧数扫描频率不能过高，难以实现高灰度级LED3.2 混合灰度调制针对传统灰度调制的不足，对于
44、实现更高等级的灰度，采用混合灰度调制。考虑到本系统所使用的高灰度级TFT-LCD显示屏采用6位屏作为显示输出屏，即显示屏只能接受6bit的R、G、B信号。本系统将采用6bitPWM+2bitFRC+2bit面积灰度调制（抖动处理）的混合灰度调制方法，利用像素间灰度相互影响的关系，从时间和空间角度上寻求对像素的亮、暗进行控制，实现不同灰度级的调制。3.2.1 混合灰度调制原理 具体实现如下：对于高灰度级R,G,B像素数据，VGA信号经过AD转换模块数字化，分别产生10bit的R、G、B信号。将10bit中的低2bit分割出来用于空间面积灰度调制（抖动处理），把低2bit的像素数据所包含的信息，均
45、匀地从空间上分配给相邻的各像素点上，多像素分担信息实现灰度级提高，这2bit数据可以区分4个灰度等级，这种方法称为抖动处理。从图3-3 可看出,对于输入的10 bit 数字图像信号, 先将10 bit 数据中的低2 bit 数据分割出来用于抖动处理(空间算法) , 把低2 bit 的像素数据所包含的信息分配到相邻空间的像素点上。例如: 采用2 * 2 的抖动矩阵, 矩阵包含4个像素点, 其中1个像素点亮, 其余3个像素点暗, 可以代表一种灰度,同样, 2个像素点亮, 2个像素点暗代表第二种灰度,3个像素点亮, 1个像素点暗代表第三种灰度,4个像素点全暗代表第四种灰度, 故2bit 数据可以区分
46、4个灰度等级, 这种方法称为抖动处理。经过抖动处理后的数字图像信号由10 bit 变为8 bit, 将这8 bit 像素数据分割成高6 bit 和低2 bit, 其中高6 bit 数据用于幅值调制, 低2 bit 数据用于FRC, 这2 bit 数据可以将1 个像素点数据灰度显示分成4个子帧来显示, 从而实现4个灰度等级( 见图3-4) 。因此, 将这3 种灰度调制方法有机结合, 可实现1024个灰度等级。3.2.2 混合灰度调制数据处理过程图3-3 混合灰度调制数据处理过程图3-4 2bit FRC 灰度调制对于视频数据，使用抖动处理可以获得良好的灰度显示效果，抖动处理的具体实现方法第6章将
47、详细介绍。使用混合调制方法，在不需要增加帧频的情况下，提高灰度调制能力，提高灰度级别数，并保持足够的响应速度，消除图像显示中的闪烁，拖影等视觉现象；减少芯片的使用面积，降低功耗和制造成本。3.3 小结 本章首先从传统灰度调制方法入手，详细分析了电压幅值灰度调制、面积灰度调制、PWM调制、FRC灰度调制等传统灰度调制方法的工作原理，并且对各种灰度调制方法的优缺点进行总结。其次，结合各种传统灰度调制方法的优点，提出了一种混合灰度调制方法架构，将电压幅值、空间面积灰度调制、PWM调制、FRC灰度调制从空间和时间上有机的结合在一起。简单介绍了这种混合灰度调制结构的数据处理过程。第四章 TFT-LCD图像显示系统硬件设计4.1 总体设计方案高灰度级TFT-LCD图像显示系统包括VGA图像信号采集，AD转换模块，FIFO控制模块，灰度调制和数字图像预处理模块，LVDS（低压差分信号
