LED电子显示屏真彩显示的几种关键分享

1、河南顺兴电子有限公司2LED 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项目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 能要求比较苛刻。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 自动地对其显示正在播放的视频节目，具

2、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，项目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 10cd/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

3、达 到几十甚至几百平方 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 <Feature-connec)t 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。因为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 JMC-LED 。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， YUV4 ： 2：2 无压缩存储 技术保证视频图像的最佳化，视频窗口

5、采用 EST 边缘增强技术，保 证缩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

6、强之比必须接近 3：6： 1； 第二、因为人们视觉对红色的敏感性，要求红色发光源在空间上要 分散分布；第三、因为人们视觉对红、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 525nm 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

7、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， 也可由播放系统软件实现。3、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 驱动；恒流源驱动。对于户内点阵块屏，一般米用扫描方式；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， 必须米用直流驱动加恒流源方式。较早的 LED 电子显示屏驱动电路大多米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/UNL2803 、CD4094/MC14094+MC1413 、74HC164+74HC273+M

8、C1413），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。针对这些缺点，美国 TI公司开发生产出TPIC6B595（TPIC6C595>专用集成电路vASIC），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515V 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，fmax>25MHz特别适用 于多灰度彩色显示屏的 LED 驱动。我国的 无锡 东

9、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 AMT9094/9095 ，但价格大为降 低。因为 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 公司研制开发出 LED 电子屏显示驱动专用集成电路 TLC5901/5902/5903,这种 ASIC的优点是：恒流源输出 580mA 或 10120mA);驱动能力为 80mA x 16Bits或 120mA x 8Bits);PWM 控制的 256级灰度显示；亮度 32级可调

10、；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， TQFP100 的封装使得驱动板面积大为减 少。在此基础上， TI 公司又研制性能更好的 LED 驱动专用芯片 TLC5921 。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 8x 16x 32 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

11、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发光元)排列而成，因为像素点的分离性，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一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

12、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 亮度的控制。对 LED 电子显示屏而言，这意味着只要将代表像素点 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=To n/Ts=D=b i2i。该表达式可用可预置减法计 数器实现，但每一像

13、素点配一计数器将使得显示电路异常复杂。上 式改写为：Ton=Tsbi2i,这意味着可将Ton分成几个时间段，因为当 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，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/灭占空比。因为函数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

14、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 vPackedPixelMethod):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 vBitPlaneMethod):即像素的每一位各自存放在不同的存储体中。 因为使用了多个存储体，它们可以一次同

15、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

16、并 -串转换电路时钟的控制。数据经过重构后，一个存 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 0 位，再写 1 位，最后写 N位。对于8C0I x Row点阵的显示屏，每个位平面存有 8C0I x 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

17、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

18、 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，在输入之前可选择任何一种器件，甚至 可以选择一种“虚拟器件” (VirtualDevice。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 18