基于FPGA的LED电视动态背光系统设计

LEDTV意即采用LED背光技术的液晶电视。当前，以LED为背光源的液晶电视具有轻薄、节能、环保一系列优点，成为电视和显示器市场的主流产品。通过调节LED背光源电源电压或工作电流的大小，可以方便地改变LED的发光强度，这就使得以降低功耗为目的的液晶电视LED背光动态调节技术获得迅速的应用，而LED纳秒量级的响应速度，为LED背光的动态调节提供了保证。

LED背光模组区分底背光和侧背光两种方式。底背光又叫直下式，是指LED灯安装在液晶背面，均匀分布在面板的后方。底背光方式散热好、整体亮度均匀、画面细节逼真、动态背光效果好，目前主要应用于大尺寸和高端液晶电视市场。侧背光又叫侧入式背光，是指LED灯安装在液晶面板上下两侧或者四周，利用导光板传递光线实现屏幕背光，这种背光方式结构简单，容易实现薄形化设计，成本也较低，目前主要用于中低端液晶电视机产品。

本文设计一款基于FPGA(现场可编程门阵列)的液晶电视动态背光系统，采用LED侧背光方式，符合当前液晶电视LED背光应用主流。

2电视动态背光

以往的电视机主板将图像信号通过LVDS(LowVoltageDifferentialSignal，低压差分信号传输)将图像信号传送至液晶面板，另外通过LED驱动控制背光，显示系统和背光系统相对独立。图像信号通过LVDS传送的时候，有两种格式，一种是JEIDA的标准，如图一所示;一种是VESA的标准，如图二所示。液晶面板的LVDS信号一般有四至五对，一对是时钟信号，三至四对为数据信号，数据信号和时钟信号速度为7:1。

液晶电视动态背光调节区分LED背光组件的整屏亮度PWM(脉宽调制)控制、LED背光组件的横向分区域亮度PWM控制、LED背光组件的纵向分区域亮度PWM控制、RGB分区域亮度控制和综合控制。要使液晶电视能达到分区域背光亮度PWM控制，相应地必须对动态的图像信号进行分析，通过插入的FPGA板计算出各个区域的图像亮度信息，然后根据区域统计的平均亮度信号，驱动LED控制芯片分别调节相应背光区域的背光亮度。FPGA板同时将图像信号传送至液晶面板,以达到背光与图像的同步，即实现了液晶电视动态背光调节功能。LED控制芯片必须具有多路输出且各路输出能独立调节的功能，这样芯片就能根据屏幕各区域图像画面的亮度信息，同时调节对应区域的背光亮度，在屏幕显示暗场景时，调低背光的亮度，进而减少能耗。背光调节效果例子如图三所示。

3系统设计

本文设计的32寸液晶电视，选用LED侧背光方式，在电视面板上下各安装2个灯条，每个灯条4串LED，每串LED为10个LED灯，共用160个LED灯。4个灯条总共16串，分别对应着16个调光区域。

FPGA器件选用赛灵思公司(Xilinx，Inc.)Spartan6系列中的XC6SLX16器件。Spartan-6FPGA为赛灵思公司新推出有批量应用、最低成本的FPGA器件，采用45nm低功耗铜工艺，在成本，性能和功耗上能达到最好的平衡。内建系统级模块包括DSP逻辑片、高速收发器以及PCIExpress接口内核，能够提供更高程度的系统级集成;先进功率管理技术以及可选的1.0v低功耗内核使得Spartan-6FPGA功耗更低;支持超过12Gbps的存储器访问带宽;高性能集成存储器控制器支持DDR、DDR2、DDR3和移动DDR存储器，硬内核的多端口总线结构能够提供可预测的时序和高达DDR2/DDR3800(400MHz)的性能。

LED驱动芯片选用奥地利微电子公司(Austriamicrosystems)的AS3693B控制芯片。芯片拥有控制外部FET的概念设计，具有主动调节LED供电电源的专利节电技术，可最大限度地降低系统功耗。芯片具有I2C(Inter-IntegratedCircuit)和SPI(SerialPeripheralInterface)接口和16个独立PWM调节的通道，每个通道的电流精度高达为0.5%，可使LCD背光实现最精准的颜色及亮度控制;外接时钟和同步输入允许LCD背景光和电视图像同步，能实现“分块调光控制”，达到尽可能高的对比度。

FPGA板需要用到1.2V、1.8V、3.3V供电电压，AS3693B芯片需要用到3.3V电压，必须使用BUCK(降压变换器)将12V电压转换至所需电压。LED背光系统硬件设计如图四所示：

4 系统实现

系统实现框图如图五所示。FPGA 对整个系统实施控制。FPGA 首先接收电视主板发送的LVDS 信号， 由于LVDS 速度很快，每对LVDS 数据线速度为560~600Mbit/s，所以应使用ISERDES(串并转换器) 模块对其进行减速，同时按1:7 的比率由将VESA 或JEIDA 信号转换成RGB 格式的图像信号，由FPGA内置亮度分析模块根据亮度计算公式：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

计算出亮度信号并按区域统计，得到各区域的亮度信号;再通过I2C 模块，将平均亮度信号转换成电路控制信号，以I2C协议的形式将控制信号送至LED 驱动芯片以驱动16 个区域PWM 背光调节模块。控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要相应背光区域的控制电路，控制量决定该调整的类别( 背光亮度) 及需要调整的量，各控制电路彼此独立，互不相关;FPGA 同时将RGB 格式的图像信号通过7:1的OSERDES( 并串转换器) 重新生成LVDS 信号传送给液晶面板。液晶背光亮度根据电视画面内容实时同步调节，即实现了系统LED 背光动态调节功能。

经测算， 液晶电视背光最高亮度为350cd/m2， 均匀度为75%以上，达到了液晶电视背光的亮度要求。此款32 寸液晶电视原功耗为73W，实现动态调光功能之后，在背光亮度调至最大水平的状态下， 用功耗测试仪测得实际最大功耗为73W，在背光亮度调至最低水平时，测得实际功耗为38W;正常播放电视时测得平均功耗54W，节能效果明显。由于电视画面对应区域亮度降低，画质会有微小损失，但人眼不易察觉,未来可结合图像信号补偿技术和增大液晶分子的旋转角度来抵消因亮度降低带来的画质损失。

5 结论

本文给出了基于FPGA 的液晶电视LED 背光动态调节系统的一种设计方法，描述了系统的硬件构成框图及功能实现框图。该系统集成程度高,工作速度快，结构清晰，具有在线可编程的特点，其原理可广泛应用于大尺寸电视和显示器市场;系统的软、硬件环境已通过应用性，稳定性等测试，各种器件均能达到良好的匹配，至少可将电视整机功耗降低四分之一，具有良好的应用市场前景。本文创新点：基于FPGA 技术，构建液晶电视LED 背光动态调节系统,设计了一款超薄、节能、高性价比的液晶电视机。