LED电子显示屏真彩显示几种专业技术分享

1、河南顺兴电子有限公ED电子显示屏真彩显示的几种关键技术分享自八十年代以来，随着公共场合信息的增多，建立性能优良、价格低 廉的大面积信息宣传媒体一直是工程技术人员所关注的问题。根据应 用场合的不同，要求的显示性能以及对显示系统成本的要求的不同， 人们可以选择不同的显示媒体。考虑到用于户内外的大屏幕显示媒体 对显示设备的颜色、亮度、视频效果、可靠性、寿命等性能要求t倣 苛刻。它要求显示系统能够显示出接近于自然色彩的真彩画面，并且具有较 高的显示亮度，无论是在白天还是在晚上，晴天还是阴天，都能够让 观众清楚的看到其内容，并且能够根据外部自然光强度的变化自动地 对其显示正

2、在播放的视频节目，具有较高的可靠性和性能价格比，易 于维护。综合上述诸多的因素，工程技术人员通过对磁翻版、真空像 素管、电视墙、LED显示屏的比较，发现LED作为显示像素可以很 好的满足上述要求，是一种很好的户内外显示屏媒体。同时,伴随着科学技术的发展，当今半导体发光二极管的性能达到了 新的水平，其光电转换效率达到：L0cd/w以上，尤其蓝色超高亮LED 器件的出现，使得LED器件的光谱覆盖了自然光的范围。因此，利用LED器件制造大型平板显示屏系统成为LED器件应用的 重要领域，进而推动了大型显示屏系统发展并形成一种产业。用LED 器件组成显示屏的最大特点在于其制造不受面积限制，可以达到几十

3、甚至几百平方M以上，应用于室内外的各种公共场合显示文字、图 形、图像、动画、视频图像等各种信息，成百上千人同时驻足观看， 具有较强的广告渲染力和震撼力，对都市的社会活动有较强的气氛渲 染作用，美化和丰富了人们的生活环境。1、图像采集技术LED电子显示屏要显示真彩图像，必须首先解决视频信号的实时采 集,将模拟视频信号采集为数字视频图像。早期的做法是利用视频采 集卡和一些带特征口( Featureconnect)的VGA卡相结合来实现。 视频采集卡用来捕获视频图像，再通过VGA特征口获得场频、行频、 像素点频以及颜色查找表的索引地址，在跟踪CRT图像时可以通

4、过 复制颜色查找表的方法来获得红、绿、蓝分离的数字信号。一种方法 是用软件定时复制，另一种是采用硬件窃取技术，后者更为有效、快 速。由于上述这种技术存在着与VGA卡兼容性差、边缘不清晰、图像质 量较差等缺点,电子显示屏所显示的图象质量也受到了限制，为此， 北京银河电脑公司于1998年研制开发出LED电子显示屏专用视频 卡 J MCLED。该卡基于PCI总线，采用64位图形加速器，将VGA和视频功能合 二为一，负责视频数据与VGA数据的叠加，色空间变换，从根本上 解决兼容性问题。应用全屏分辨率采集，丫UV4 :2 :2无压缩存储技 术保证视频图像的最佳化，视频窗口采用EST边缘增强技术，保证 缩

5、放后图像的清晰程度。支持制式为PAL和NTSC ,视频窗口可以任 意缩放、移动。该卡可以将电子显示屏播放视频时所需的场频、行频、像素点频几个 同步信号提取出来，并将红、绿、蓝三色信号分离出来。数字RGB 格式为8:8:8,各可以产生256级灰度，能满足电子显示屏真彩 播放的要求。2、真实图像色彩再现全彩LED电子显示屏的视觉原理与彩色电视机一样,是通过红、绿、 蓝三种颜色的不同光强实现图像色彩的还原再现。红、绿、蓝的纯正 度直接影响图像色彩再现的视觉效果。然而白光的三色配比不是简单的三种颜色的叠加。第一、在保证光频纯正的前提下，要求红、绿、蓝光强之比必须接近3:6:1;第二、由于人们视觉对红色

6、的敏感性，要求红色发光源在空间上要分 散分布；第三、由于人们视觉对红、绿、蓝三种颜色光强的不同的非线性曲线 响应，要求不同光强的白光对红、绿、蓝要进行类似电视机里的Y校 正；第四、人的视觉对色差的分辨能力有限。因此必须找出图像色彩再现 真实性的客观指标。为了再现真实图像色彩，在LED电子显示屏的 配光上应满足下面一些要求：？ 红、绿、蓝三色的波长应分别为：660nm、525nms 470nm左 右；？ 采用4管单元配白光为佳（多管单元也可以，取决于光强）；? 红、绿、蓝三色的灰度级为256级；？ 必须采用针对LED像素管的非线性校正。？红、绿、蓝三色配光及非线性校正可以用显示控制系统硬件实现,

7、也可由播放系统软件实现。http:/www.hnsxd乙com3、专用显示驱动电路从目前像素管的几种显示方式来看，可分为：扫描驱动；直流区 动；恒流源驱动。对于户内点阵块屏，一般采用扫描方式；而对于 户外像素管屏，要保证所显示的图像一致性好、稳定、高亮，必须采 用直流动加恒流源方式。较早的LED电子显示屏驱动电路大多采用低压信号的串并转换 CMOS电路和大电流驱动的双极电路两块组成(如 74HC595+MC1413/UNL2803s CD4094/MC14094+MC1413. 74HC164+74HC273 + MC1413 ),这种形式的驱动电路存在着焊点 多、成本高、可靠性低等问题。针对

8、这些缺点，美国TI公司开发生产出TPIC6B595(TPIC6C595)专 用集成电路(ASIC),它将串并转换和大电流驱动合二为一，这种 ASIC具有如下显著特点：并行输出驱动能力大，单路驱动电流高达 200mA ,可直接驱动LED ;电流电压范围宽，工作电压可在5 15V 内灵活选用；串行输入、移位和锁存、时钟输入端口都设有施密特整 形电路；串并输出电流大，吸收和供给电流都大于4mA ,级连方便; 数据处理速度高，串行时钟频率，fmaxn25MHz特别适用于多灰度彩色显示屏的LED驱动。我国的无锡东大先行微电子有限公司也于1998年生产出与 TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9

9、094/9095，但价格大为降 低。由于TPIC6B595的并行输出口仅为8位，驱动分辨率较高全彩 显示屏时需要TPIC6B595的数量较大,且256级灰度控制较麻烦。为此，美国TI公司硏制开发出LED电子屏显示9区动专用集成电路 TLC5901/5902/5903 ,这种ASIC的优点是：恒流源输出5 80mA(或 10 120mA )驱动能力为 80mAxl6Bits(或 120mAx8Bits );PWM控制的256级灰度显示;亮度32级可调;时钟同步的8位并 行数据输入。该芯片使得256级灰度控制更为简单，恒流源方式使 得图像显示一致性更好JQFP100的封装使得驱动板面积大为减少。在

10、此基础上,TI公司又硏制性能更好的LED驱动专用芯片TLC5921O 北京华虹集成电路设计公司也研制开发出性能优良的LED专用集成 电路9701,这种ASIC具有如下显著特点：内含8x16x32数据扫 描阵列，实现从静态至1/32动态扫描；数据输入扫描阵列和数据输 出灰度控制分别采用两个独立的时钟；采用8位并行数据输入和8 位并行数据输出的级连功能；16个数据输出端，每个端驱动LED电 流可达80mA以上，每个端数据输出耐压大于20V ;数据输出256 级灰度；输出具有模式选择端，可用于奇、偶帧选择；具有非线性校正控制输入端。4、亮度控制D/T转换技术LED电子显示屏是由许多相互独立的像素点（

11、发光元）排列而成，由 于像素点的分离性，决定了其发光的控制和驱动只能以数字方式进 行。这些像素点的发光状态由控制器同步地控制，独立驱动。视频真 彩色显示意味着要对每个像素点的亮度分别进行控制，并且要在规 定的扫描时间内同步地完成。大屏幕是以数以万计的像素点组成的， 这使得系统的复杂性较两值显示大屏幕而言大为增加，并对总体的数 据传输速度提出了更高的要求。给每一像素点设置一个常规D/A显 然是不现实的，必须寻找一种能最大限度降低系统复杂性且性能尽可 能高的解决方案。由视觉原理知道，人对像素点的平均亮度感觉可取决于它的亮/灭占 空比。也就是说，只要对像素点亮/灭占空比进行调节，就能实现对 亮度的控

12、制。对LED电子显示屏而言，这意味舂只要将代表像素点 亮度的数字转换为像素点发光的时间（D/T转换）,即实现了亮度的 D/A转换。设屏幕数据刷新的周期为，控制任意像素点亮度的数据为n位二进制 数D=bi2i（其中bi=O或1）, Ton为相应于D的发光时间，则像素 点亮/灭的占空比为:d=Ton/Ts=D=bi2i。该表达式可用可预置减法 计数器实现，但每一像素点配一计数器将使得显示电路异常复杂。上 式改写为：Ton=Tsb，这意味着可将Ton分成几个时间段，由于 当足够小时几个分离时间段合成的Ton与总长度相同的连续的Ton 其视觉效果是相同的。于是，一般地有 对于n位二进制数据D=bi2i

13、 , 将分Ts为n段，并选取适当时间分割函数f(i)，使得第i段Ti=Tsf(i), 其中0即为此像素点的亮仅占空比。由于函数f(i)对所有像素点而言 可以是共同的，因而上式表明，只要用f(i)统一控制各个像素点，就 能实现全屏幕所有像素点相互独立而又同步的D/T转换。对于单个 像素点来说用图1的电路可实现上式。图中SFR为8位移位寄存器, 图为时间分割函数f(i)的波形。大屏幕显示驱动电路通常采用串行移位+锁存+驱动的结构，以 期尽量减少数据传送线。要全屏幕同时实现上式，只要将所有ST信 号统一由f(i)控制即可。当然这样做的前提是要求移位寄存器中存放 的是各个像素点控制数据中的同权位，而这

14、可通过预先的数据处理做 到。5、数据重构与存储技术存储器有两种组织方式：组合像素法(PackedPixelMethod ):即 画面上每个像素的所有位均集中存放在单个存储体中；位平面法 (BitPlaneMethod):即像素的每一位各自存放在不同的存储体中。 由于使用了多个存储体，它们可以一次同时读出更多的像素信息。从 两种存储结构来分析，利用位平面结构有利于提高LED屏的显示效 果。整个LED显示屏显示控制电路结构框图如图3所示。其中，数据重 构电路完成RGB数据的转换，将不同像素的同权位组合在一起,然 后存放在相邻的单元中，从而以位的形式完成整个数据的重新组合。数据重构电路主要由四大部分

15、组成:8位数据并行传送电路;8位并 串转换电路；8位数据锁存电路;8位加1计数器。R/G/B各8位 数据由经同步处理后的像素点频打入并行锁存器，8位加1计数器输 出进位脉冲LD ,将8位数据同时锁存到8位并串转换电路,由时钟 控制电路完成并串转换电路时钟的控制。数据经过重构后,个存 储体中不再是一个像素值,而是不同像素值的同权位。将所有的同权 位存放在一起，从而构成以位为单位的位平面存储结构。在读出时必 须按相反的规则取出各像素的相邻权值。读写地址发生器必须满足严格的时序。对同一存储芯片来说，可将其 分为N片（一个像素值用N位表示）,每片表示一个位平面，像素经 过转换向同一存储器写入时，首先写

16、0位，再写1位，最后写N位。 对于8Col x Row点阵的显示屏，每个位平面存有8Colx Row位。存 储器内部组织取决于驱动屏体上像素管的逻辑连线关系。根据存储器 组织,读地址发生器由列驱动行，再由行驱动位;写地址发生器则采 用由位驱动列、列驱动行的方式，从而可以保证读写同步性，正确地 同步显示原始图像信息。6、逻辑电路设计中的ISP技术在早期的LED电子显示屏显示控制电路中，大量采用的是常规数字 电路系统设计,用数字电路组合出复杂控制逻辑。在常规数字电路系 统设计中，当电路设计完成后，须先制作电路板，然后安装元件，调 试。如果电路板的逻辑功能不符合要求就必须重新设计制作电路板， 再重新

17、调试，直到实现逻辑功能为止。很显然，这种设计方法的设计 周期长，成本高,且成品可靠性差，维修麻烦。利用普通可编程的逻 辑器件，虽可减少印刷电路板的设计与制作，但在修改该逻辑时仍旧 不能避免器件的反复插拔。在系统可编程技术(In-SystemProgrammable ,缩写ISP),是指在 用户自己设计的目标系统中或电路板上为重构逻辑器件编程或反复 改写的能力。常规PLD在使用中通常是先编程后装配，而采用ISP 技术的PLD则是先装配后编程，成为产品之后还可以反复编程。在 系统可编程技术的出现，从实践上实现了逻辑设计师们多年来梦寐以 求的硬件设计与修改软件化的愿望，使得数字系统面貌焕然一新。 采

18、用ISP技术后，硬件设计变得像软件一样易于修改，硬件的功能可 以随时加以修改或按预定的程序改变组态。这不仅扩展了器件的用 途，缩短了系统调试周期，而且根除了对器件单独编程的环节，省却 了器件编程设备，简化了目标设备的现场维护和升级工作。ISP技术 还有一个特点是采用系统设计软件进行逻辑输入时，输入与所选器件 无关。因此，在输入之前可选择田可一种器件，甚至可以选择一种虚 拟器件(VirtualDevice)o在输入完后，再根据仿真和适配的结果选 择器件。ISPLSI器件是美国LATTICE公司于1992年推出的新一代高密度可 编程逻辑器件，容量可达25000门,具有现场可编程门阵列(FPGA) 的容量和灵活性。它采用E2CMOS工艺，时钟频率可以高达 180MHz，传输延时为5ns，低功耗，电擦除，