CN106782356A - 一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，基于FPGA实现了单色液晶的显示驱动，在显示部分支持显示曲线可调，用户可以根据自己的需要烧写特定的显示曲线，避免了专用芯片，一方面降低了驱动电路板的成本，另外一方面提高了电路驱动的可扩展性。该驱动电路可以根据实际需要进行自定义修改；本发明支持两种工作模式，显示曲线获取模式和正常工作模式。克服了采用专用芯片进行设计的驱动电路只有正常工作模式状态，显示曲线是内部直接定义好的，缺乏灵活性的缺点加密单元有效的保证了显示曲线数据的安全性，避免被其他非法用户获取，保证了系统安全。
Description
技术领域
本发明涉及液晶显示控制技术领域，具体涉及单色高灰阶液晶显示器的驱动装置。
背景技术
随着数字成像设备和显示控制技术的发展，影像诊断医师阅读影像的模式也已经从传统的荧光屏、胶片、灯箱为主的硬阅读模式向数字化信息医用显示器的软阅读模式过渡。为便于医生诊断和观察，医用显示器和传统的胶卷都采用灰阶单色显示，而采用彩色显示器表现单色的医学影象，可能会产生掉色的情况导致医生无法准确诊断病情。因此在医疗环境下，医生需要有专用的显示器。
现有技术的医用显示器普通显示器只有256灰阶(8bit)，用于显示彩色图象，无法支持高灰阶显示，图像显示不清晰。此外，专业的医用显示器必须支持DICOM PART14的标准，也就是说必须具备调整DICOM标准曲线的能力，使其和DICOM标准相吻合，从而保证影像的显示质量。医用显示器有可以根据影像的需要，需要可以横/竖屏转换，同时具有很高的分辨率。目前专用的医用灰阶显示器价格非常高昂，限制了显示器的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，基于FPGA芯片具有显示曲线采集和正常工作两种工作模式，显示曲线动态可调并具有加密单元保证数据的安全性。
为了达到上述目的，本发明的具体解决方案提供一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，包括图像处理单元、辅助测试单元和加密单元：
图像处理单元包括解码芯片、FPGA芯片、编码芯片、配置芯片EPCS4、I2C存储器，所述解码芯片将DVI输入信号解码成三基色的灰度值数据和相应的行信号、场信号、点时钟控制信号，并将解码后的数据输出到FPGA芯片，所述FPGA芯片将接收到的三基色灰度数据进行灰度校正，并且将矫正之后的三基色灰度数据按照液晶显示器的扫描方式进行重组缓存和灰度调制，所述EPCS4为FPGA芯片的配置芯片，存储有FPGA芯片的算法处理程序，所述I2C存储器用于存储在掉电状态下FPGA芯片的调整参数和映射信息，编码芯片将FPGA芯片矫正之后的数据重新编码成DVI信号；
辅助测试单元与FPGA芯片引脚连接，接收并处理用户的控制输入参数，所述参数包括亮度、对比度，并根据参数调整显示映射关系曲线，随后与FPGA芯片进行通信，将上述处理好的信息传递给FPGA芯片，FPGA芯片对I2C存储器进行读写操作；
加密单元对配置芯片EPCS4中存储的算法处理程序进行加密，当FPGA芯片开始工作时，加密单元对FPGA芯片进行验证，当验证通过时FPGA芯片开始调用EPCS4芯片的配置程序开始图像处理工作。
进一步的，所述图像处理单元还包括内存RAM1和内存RAM2，作为FPGA芯片扩展备用使用。
更进一步的，所述FPGA芯片具有显示曲线采集模式和正常工作模式，当FPGA芯片开始工作时，通过读取与辅助测试单元连接的引脚的电平，通过电平的高低判断FPGA芯片采用工作模式。
更进一步的，当电平判断为高时，FPGA芯片采用显示曲线采集模式，辅助测试板开始接收控制信号，然后和FPGA芯片通讯，FPGA芯片根据控制信号对解码后的信息进行处理然后再输出给编码芯片，最后通过LCD进行显示，并将最佳映射关系数据存储到I2C存储器。
更进一步的，当电平判断为低时，FPGA芯片采用正常工作模式，读取I2C存储器存储的最佳映射关系数据并进行编译，通过EPCS4芯片直接运行显示数据的灰度校正、调制和处理。
更进一步的，所述辅助测试板包括辅助显示模块、MCU模块和控制输入模块，所述控制输入模块接收用户输入的控制输入信息并计算显示映射关系曲线，辅助显示模块显示映射关系曲线，MCU模块完成数据的处理。
更进一步的，当加密单元对FPGA芯片进行验证时，首先产生一个随机码同时将随机码发送到辅助测试板的MCU模块，MCU模块和FPGA芯片同时根据随机码进行加密计算，各自生成一加密序列，随后加密单元对加密序列进行比较，如相同则验证通过。
更进一步的，所述FPGA芯片和MCU模块均加载有同一加密算法，所述加密算法根据一通用密钥对随机码进行验证。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本发明基于FPGA实现了单色液晶的显示驱动，在显示部分支持显示曲线可调，用户可以根据自己的需要烧写特定的显示曲线，避免了专用芯片，一方面降低了驱动电路板的成本，另外一方面提高了电路驱动的可扩展性。该驱动电路可以根据实际需要进行自定义修改。
2.本发明支持两种工作模式，显示曲线获取模式和正常工作模式。克服了采用专用芯片进行设计的驱动电路只有正常工作模式状态，显示曲线是内部直接定义好的，缺乏灵活性的缺点。
3.具有加密单元。加密单元有效的保证了显示曲线数据的安全性，避免被其他非法用户获取。保证了系统安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明优选实施例的系统结构示意图；
图2是本发明优选实施例加密单元的工作流程图；
图3是本发明优选实施例显示曲线采集模式的工作流程图；
图4是本发明优选实施例正常工作模式的工作流程图；
图5是本发明优选实施例显示曲线的函数曲线图。
附图标记说明：
图像处理单元(1) 加密单元(2) 辅助测试单元(3) FPGA芯片(4) 解码芯片(5)配置芯片EPCS4(6) I2C存储器(7) 编码芯片(8) 内存RAM1(9) 内存RAM2(10) 控制输入模块(11) MCU模块(12) 辅助显示模块(13) DVI_D信号源(14) 电源(15) 液晶显示屏(16)
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明优选实施例的系统结构示意图
图一所示，一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，包括图像处理单元(1)、辅助测试单元(3)和加密单元(2)。
图像处理单元(1)由电源(15)驱动，包括解码芯片(5)、FPGA芯片(4)、编码芯片(8)、内存RAM1(9)、内存RAM2(10),、配置芯片EPCS4(6)和I2C存储器(7)。解码芯片(5)采用Silicon公司专用的的DVI解码芯片(5)SiI1161，该芯片容量为512KB，该芯片是采用TFPQ的封装结构，具有100个功能引脚，能够支持长达10米的电缆传输，高达165MHz的输入像素频率，数据输出时采用时序交叉的方式能够极大地降低电磁干扰，并且内置了同步信号去抖电路，因此芯片具有良好的稳定性。解码芯片(5)接收DVI_D信号源(14)的三基色数据和时钟控制信号，然后利用解码芯片(5)内部的串并转换电路将串行的三基色数据编码重组为三路8位并行数据进行输出，并且同步输出显示屏的时钟信号和数据有效信号。
优选的，FPGA芯片(4)采用Altera cyclone系列的EP1C6Q240C6，具有185个可用IO，5980个LES，最高运行速度166MHZ，2个PLL，92160bit RAM 能够满足本系统的要求。FPGA芯片(4)首先将接收到的非线性三基色数据进行指数矫正，输出满足也就显示器线性要求的灰度数据，然后将矫正之后的显示曲线数据按照权重进行位分离和重组操作。在这过程中，将内存RAM1(9)存储的灰度数据按照液晶显示屏(16)灰度数据的扫描方式进行调制，为液晶显示屏(16)准备格式化的扫描数据。内存RAM2(10)存储液晶显示屏(16)的灰度数据的时钟要求，调制数据的读写速率。
显示屏如果想要达到逼真地显示物体图像的目的，就必须要保证最终的显像亮度和物体的真实亮度成线性关系。液晶显示屏(16)不同于CRT显示屏，其光电转换特性是线性的，而不同的液晶显示屏(16)的亮度和对比度又不同。因此为了适配不同的液晶显示屏(16)，提高显示质量，需要根据不同的显示器调整显示曲线，并形成显示器显示曲线的映射信息。
显示曲线通过配置芯片EPCS4(6)进行计算，型号为cyclone系列fgpa专用配置芯片，容量为512KB。显示曲线的技术原理在于，是在视频源信号获取的过程中对之进行一次指数调制，算法公式为Xout＝(Xin)γ，其中Xin代表显卡输出的信号亮度值，Xout代表矫正之后的亮度值，γ代表矫正系数，三基色可以分别取不同的矫正系数值。1/γ矫正曲线和γ反矫正曲线如图6所示。
为减轻FPGA芯片(4)运算压力，I2C存储器(7)用于存储在掉电状态下FPGA芯片(4)的调整参数和显示曲线映射信息。I2C存储器(7)采用型号为AT24C64的8kb的E2PROM。
优选的，编码芯片(8)采用将采用Silicon公司专用的的DVI解码芯片(5)SiI164，其最大支持165Mpps的传输速率，将FPGA芯片(4)矫正之后的数据重新编码成DVI信号。
辅助测试单元(3)与FPGA芯片(4)引脚连接，用以接收并处理用户的控制输入参数，参数包括亮度、对比度，并根据参数调整显示映射关系曲线，随后与FPGA芯片(4)进行通信，将上述处理好的信息传递给FPGA芯片(4)，FPGA芯片(4)对I2C存储器(7)进行读写操作。辅助测试单元(3)采用单片机或ARM方式来实现，包括辅助显示模块(13)、MCU模块(12)和控制输入模块(11)，控制输入模块(11)接收用户输入的控制输入信息并计算显示映射关系曲线，辅助显示模块(13)显示映射关系曲线，MCU模块(12)完成数据的处理。
如图3和图4所示，FPGA芯片(4)具有显示曲线采集模式和正常工作模式，当FPGA芯片(4)开始工作时，通过读取与辅助测试单元(3)连接的引脚的电平，通过电平的高低判断FPGA芯片(4)采用工作模式。
当电平判断为高时，FPGA芯片(4)采用显示曲线采集模式，辅助测试板开始接收控制信号，然后和FPGA芯片(4)通讯，FPGA芯片(4)根据控制信号对解码后的信息进行处理然后再输出给编码芯片(8)，最后通过LCD进行显示，并将最佳映射关系数据存储到I2C存储器(7)。
当电平判断为低时，FPGA芯片(4)采用正常工作模式，读取I2C存储器(7)存储的最佳映射关系数据并进行编译，通过EPCS4芯片(6)直接运行显示数据的灰度校正、调制和处理。
本系统的核心功能就是FPGA的图像处理功能，而核心功能的所有软件信息都存储在EPCS4芯片(6)中，而EPCS4芯片(6)中的内容很容易被人窃取，因而我们要对系统的软件进行加密保护。目前常见的保护方法有以下几种：
1)将FPGA换成具有加密功能的，如cycloneIII LS系列的FPGA，而这些FPGA，价格很贵，并且都是BGA封装的。性价比不高，并且研发、调试周期长。
2)采用CPLD代替FPGA，可以考虑，但目前看安全性也不是特别高。
3)采用加密单元(2)的方式，推荐。
FPGA芯片供应商对位数据流的定义是不公开的，因此无法通过外部的配置数据流信息推测内部电路。也就是说，即使通过对FPGA配置引脚的数据进行采样可得到配置信息，但也不能知道内部电路结构。如果在配置完成后使FPGA处于非工作状态,利用另外一块保密性较强的单片机产生密码验证信息与FPGA进行通信，仅在验证成功的情况下使FPGA正常工作，则能有效地对FPGA进行加密。这样只要单片机不被破解我们就可以保护FPGA程序不被破解。本加密单元(2)选用MAXIM公司的DS系列单片机(保密性能特别好)，具体加密过程如图3所示，加密单元(2)对配置芯片EPCS4(6)中存储的算法处理程序进行加密，当FPGA芯片(4)开始工作时，加密单元(2)对FPGA芯片(4)进行验证，当验证通过时FPGA芯片(4)开始调用EPCS4芯片的配置程序开始图像处理工作。
当加密单元(2)对FPGA芯片(4)进行验证时，首先产生一个随机码同时将随机码发送到辅助测试板的MCU模块(12)，MCU模块(12)和FPGA芯片(4)同时根据随机码进行加密计算，各自生成一加密序列，FPGA芯片(4)和MCU模块(12)均加载有同一加密算法，加密算法根据一通用密钥对随机码进行验证，加密单元(2)对加密序列进行比较后，如相同则验证通过。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，包括图像处理单元、辅助测试单元和加密单元：
图像处理单元包括解码芯片、FPGA芯片、编码芯片、配置芯片EPCS4、I2C存储器，所述解码芯片将DVI输入信号解码成三基色的灰度值数据和相应的行信号、场信号、点时钟控制信号，并将解码后的数据输出到FPGA芯片，所述FPGA芯片将接收到的三基色灰度数据进行灰度校正，并且将矫正之后的三基色灰度数据按照液晶显示器的扫描方式进行重组缓存和灰度调制，所述EPCS4为FPGA芯片的配置芯片，存储有FPGA芯片的算法处理程序，所述I2C存储器用于存储在掉电状态下FPGA芯片的调整参数和映射信息，编码芯片将FPGA芯片矫正之后的数据重新编码成DVI信号；
辅助测试单元与FPGA芯片引脚连接，接收并处理用户的控制输入参数，所述参数包括亮度、对比度，并根据参数调整显示映射关系曲线，随后与FPGA芯片进行通信，将上述处理好的信息传递给FPGA芯片，FPGA芯片对I2C存储器进行读写操作；
加密单元对配置芯片EPCS4中存储的算法处理程序进行加密，当FPGA芯片开始工作时，加密单元对FPGA芯片进行验证，当验证通过时FPGA芯片开始调用EPCS4芯片的配置程序开始图像处理工作。
2.根据权利要求1所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，所述图像处理单元还包括内存RAM1和内存RAM2，作为FPGA芯片扩展备用使用。
3.根据权利要求2所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，所述FPGA芯片具有显示曲线采集模式和正常工作模式，当FPGA芯片开始工作时，通过读取与辅助测试单元连接的引脚的电平，通过电平的高低判断FPGA芯片采用工作模式。
4.根据权利要求3所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，当电平判断为高时，FPGA芯片采用显示曲线采集模式，辅助测试板开始接收控制信号，然后和FPGA芯片通讯，FPGA芯片根据控制信号对解码后的信息进行处理然后再输出给编码芯片，最后通过LCD进行显示，并将最佳映射关系数据存储到I2C存储器。
5.根据权利要求4所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，当电平判断为低时，FPGA芯片采用正常工作模式，读取I2C存储器存储的最佳映射关系数据并进行编译，通过EPCS4芯片直接运行显示数据的灰度校正、调制和处理。
6.根据权利要求4所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，所述辅助测试板包括辅助显示模块、MCU模块和控制输入模块，所述控制输入模块接收用户输入的控制输入信息并计算显示映射关系曲线，辅助显示模块显示映射关系曲线，MCU模块完成数据的处理。
7.根据权利要求6所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，当加密单元对FPGA芯片进行验证时，首先产生一个随机码同时将随机码发送到辅助测试板的MCU模块，MCU模块和FPGA芯片同时根据随机码进行加密计算，各自生成一加密序列，随后加密单元对加密序列进行比较，如相同则验证通过。
8.根据权利要求7所述的一种单色高灰阶液晶显示器的驱动装置，其特征在于，所述FPGA芯片和MCU模块均加载有同一加密算法，所述加密算法根据一通用密钥对随机码进行验证。
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