LED电子显示屏真彩实现技术.docx

《LED电子显示屏真彩实现技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED电子显示屏真彩实现技术.docx（6页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、LED电子显示屏真彩实现技术摘要讨论了实现LED电子显示屏真彩显示的几种关键技术，着重对亮度控制DT转换、数据重构与存储、真实图像色彩再现、专用驱动电路、逻辑电路设计中的ISP技术及其它有关问题进行了深入研究。关键词电子显示屏数据重构存储技术视频信号 1概述LED电子显示屏是一种利用计算机技术和信息处理技术相结合的电子宣传屏。它集微机控制技术、视频技术、光电子技术、微电子技术、通信技术、数字图像处理技术为一体，是一种高新技术产品。它可以显示来自计算机、录像机、摄像机及电视的活动图像，也可以显示来自计算机和存储器中的静态图像。对于日益广泛使用的LED电子显示屏而言，要显示高分辨率色彩逼真、层次丰

2、富的图像信息及视频信息，在技术上还存在着一些问题，主要表现在显示刷新速度不够，灰度级不高，色彩及对比度不丰富，图像一致性及稳定性差等不足。为此，我们对LED电子显示屏真彩实现技术进行了深入研究。要在LED显示屏上实现高质量的真彩显示，其关键技术在于：像素点亮度DT控制；数据重构与存储技术；显示驱动技术；逻辑控制电路设计；真实图像色彩再现等。2LED电子显示屏DT转换技术21像素点亮度DT转换原理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，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一

3、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。大屏幕是由数以万计的像素点组成的，这将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DA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（DT转换），即实现了亮度的DA转换1。设屏幕数据刷新的周期为Ts，控制任意像素点这意味着可将To

4、n分成几个时间段，由于当Ts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，即为此像素点的亮灭占空比。注意由于函数f（i）对所有像素点而言可以是共同的，因而（5）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DT转换。22LED电子显示屏DT转换的逻辑电路实现对于单个像素点来说用图1的电路可实现（5）式。图1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，美国TI公司生产的TPIC6B595即采用此结构（如图2所示）。要

5、全屏幕同时实现（5）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。红、绿、蓝像素数据在显示RAM中按字节存放，可分别表示256级灰度。数据传输到每个数据处理模块，经过一定的数据选择电路后被分别存放在静态RAM中，然后分256场读出，读出时数据与一个256级亮度比较器进行比较。比较得到0或1（即时间分割函数f（i）再串行送到锁存驱动电路。每读出一场亮度，比较器就加1，这样一个数据分256次控制对应像素，从视觉上达到每种基色256灰度级的效果。 值得一提的是，数据处理模块中的静态RAM的读写是不同

6、步的，我们采用快页切换（fastpage）的方法进行控制，也就是用两块SRAM、两套地址线和数据线轮流进行读写，如图3所示。这种方法的关键在于精确规定帧存储器中数据存放地址与屏幕上像素点位置的对应关系，这些取决于写入地址发生器和读出地址发生器的设计。在实际中，我们很容易采用CPLDSRAM等器件灵活准确地实现。 3数据重构与存储技术 31帧存的设计存储器有两种组织方式（图4）2：组合像素法（Packed PixelMethod）：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（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

7、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5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。 32数据的重构与存储数据重构电路主要由四部分组成：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。RGB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，一个存储体中不再是一

8、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。 33地址发生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8ColRow点阵的显示屏，每个位平面存有8ColRow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

9、。4其它有关问题41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

10、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：660 nm、525 nm、470 nm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，也可由播放系统软件实现。42专用显示驱动电路由于TPIC6B595的并行输出口仅为8位，驱动分辨率较高的全彩屏时所需的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TLC5901590259033，这种ASIC具有如下显著特

11、点：恒流源输出580mA（或10120mA）；驱动能力为80mA16Bits（或120mA8Bits）；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，TQFP100的封装使得驱动板面积大为减少。北京华虹集成电路设计公司也研制开发出性能优良的用于LED扫描显示和驱动的专用集成电路97015，这种ASIC的优点是：内含81632数据扫描阵列，实现从静态至132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

12、动LED电流可达80 mA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。43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，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

13、避免器件的反复插拔。在系统可编程技术（InSystem Programmable，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，

14、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（Virtual Device）。在输入完后，再根据仿真和适配的结果选择器件。5结束语LED电子显示屏一般主要由显示单元、驱动单元、控制单元、数传通信单元、视频采集单元组成。在显示单元中，三基色LED管芯为核心器件，对于高质量的LED电子显示屏必须选用高质量的LED管芯，对此应严格挑选波长及发光强度一致性好的管子。从LED管芯质量上看，日亚公司（日本）、丰田公司（日本）、光磊公司（台湾）、HP公司的产品质量上佳。在驱动单元

15、中应选用低功耗、长寿命、工作范围宽、驱动电流大的功率器件，美国TI公司生产的功率器件具有较大的产品优势。在控制和通信单元中，主要为逻辑和时序控制。目前在逻辑电路设计上最先进的技术为ISP技术，美国LATTICE公司的ISP产品具有较大的产品优势。在视频采集单元中，不仅要考虑高频信息处理的噪音、畸变问题，还要考虑VGA信号的采样精度及各种同步信号的同步性能，这方面国内北京银河电脑公司的LED视频卡质量上佳。真彩高分辨率LED电子显示屏作为一种新的显示媒体，以其清晰的图像质量和强大的播放能力，愈来愈受到人们的重视。目前国内外的LED电子显示屏正朝着真彩（224种颜色）、高分辨率（4096像素点m2

16、）方向发展，因此也要求更为先进的视频显示控制技术紧跟国际潮流。制约这种技术的主要因素是：第一、高速、大规模FPGA具有ISP技术的芯片的问世；第二、直流驱动恒流源方式LED显示控制芯片。美国LATTICE公司在1992年已推出了高性能的FPGA芯片，美国TI公司在1998年同样也推出了高性能的LED显示控制芯片。在国外，7100像素点m2分辨率的显示单元已经出现，但国内由于视频显示控制技术还没有完全掌握，因此国内高分辨率LED电子显示屏还不能生产。目前，LED电子显示屏的显示单元正向超亮度、高分辨率、高灰度级方向发展，其显示媒体也向多媒体（静止动态图文、视频图像、音视频同步）方向发展，系统的运行、操作与维护也向集成化、网络化、智能化方向发展。国内的电子行业及研究机构应不断追踪着国际潮流，加大研制及产业化的步伐，积极开拓国内外市场，努力使其高新技术产品在大屏制造业独领风骚。 参考文献1刘泽民大屏幕视频真彩色显示技术，电子技术，1997，（4）2刘传清，张蕴玉，胡修林LED彩色屏数字视频信号的数据重构与存储技术电子自动化，1999，28（1）