LED電子顯示屏真彩顯示的幾種關(guān)鍵分享

1、河南順興電子有限公司2LED 電子顯示屏真彩顯示的幾種關(guān)鍵技術(shù)分享 自八十年代以來(lái)，隨著公共場(chǎng)合信息的增多，建立性能優(yōu)良、價(jià)格 低廉的大面積信息宣傳媒體一直是項(xiàng)目技術(shù)人員所關(guān)注的問題。根 據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，要求的顯示性能以及對(duì)顯示系統(tǒng)成本的要求的 不同，人們可以選擇不同的顯示媒體。考慮到用于戶內(nèi)外的大屏幕 顯示媒體對(duì)顯示設(shè)備的顏色、亮度、視頻效果、可靠性、壽命等性 能要求比較苛刻。它要求顯示系統(tǒng)能夠顯示出接近于自然色彩的真彩畫面，并且具有 較高的顯示亮度，無(wú)論是在白天還是在晚上，晴天還是陰天，都能 夠讓觀眾清楚的看到其內(nèi)容，并且能夠根據(jù)外部自然光強(qiáng)度的變化 自動(dòng)地對(duì)其顯示正在播放的視頻節(jié)目，具

2、有較高的可靠性和性能價(jià) 格比，易于維護(hù)。綜合上述諸多的因素，項(xiàng)目技術(shù)人員通過對(duì)磁翻 版、真空像素管、電視墻、 LED 顯示屏的比較，發(fā)現(xiàn) LED 作為顯示 像素可以很好的滿足上述要求，是一種很好的戶內(nèi)外顯示屏媒體。 同時(shí)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能達(dá)到 了新的水平，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 10cd/w 以上，尤其藍(lán)色超高亮 LED 器件的出現(xiàn)，使得 LED 器件的光譜覆蓋了自然光的范圍。 因此，利用 LED 器件制造大型平板顯示屏系統(tǒng)成為 LED 器件應(yīng)用 的重要領(lǐng)域，進(jìn)而推動(dòng)了大型顯示屏系統(tǒng)發(fā)展并形成一種產(chǎn)業(yè)。用 LED 器件組成顯示屏的最大特點(diǎn)在于其制造不受面積限制，可以

3、達(dá) 到幾十甚至幾百平方 M 以上，應(yīng)用于室內(nèi)外的各種公共場(chǎng)合顯示文 字、圖形、圖像、動(dòng)畫、視頻圖像等各種信息，成百上千人同時(shí)駐 足觀看，具有較強(qiáng)的廣告渲染力和震撼力，對(duì)都市的社會(huì)活動(dòng)有較 強(qiáng)的氣氛渲染作用，美化和豐富了人們的生活環(huán)境。1、圖像采集技術(shù)LED 電子顯示屏要顯示真彩圖像，必須首先解決視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)采 集，將模擬視頻信號(hào)采集為數(shù)字視頻圖像。早期的做法是利用視頻 采集卡和一些帶特征口 Feature-connec)t 的 VGA 卡相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 視頻采集卡用來(lái)捕獲視頻圖像，再通過 VGA 特征口獲得場(chǎng)頻、行 頻、像素點(diǎn)頻以及顏色查找表的索引地址，在跟蹤 CRT 圖像時(shí)可以 通過復(fù)制顏

4、色查找表的方法來(lái)獲得紅、綠、藍(lán)分離的數(shù)字信號(hào)。一 種方法是用軟件定時(shí)復(fù)制，另一種是采用硬件竊取技術(shù)，后者更為 有效、快速。因?yàn)樯鲜鲞@種技術(shù)存在著與 VGA 卡兼容性差、邊緣不清晰、圖像質(zhì) 量較差等缺點(diǎn)，電子顯示屏所顯示的圖象質(zhì)量也受到了限制，為 此，北京銀河電腦公司于 1998 年研制開發(fā)出 LED 電子顯示屏專用 視頻卡 JMC-LED 。該卡基于 PCI 總線，采用 64 位圖形加速器，將 VGA 和視頻功能合 二為一，負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)與 VGA 數(shù)據(jù)的疊加，色空間變換，從根本上 解決兼容性問題。應(yīng)用全屏分辨率采集， YUV4 ： 2：2 無(wú)壓縮存儲(chǔ) 技術(shù)保證視頻圖像的最佳化，視頻窗口采用 E

5、ST 邊緣增強(qiáng)技術(shù)，保 證縮放后圖像的清晰程度。支持制式為 PAL和NTSC,視頻窗口可以任意縮放、移動(dòng) 該卡可以將電子顯示屏播放視頻時(shí)所需的場(chǎng)頻、行頻、像素點(diǎn)頻幾 個(gè)同步信號(hào)提取出來(lái)，并將紅、綠、藍(lán)三色信號(hào)分離出來(lái)。數(shù)字 RGB 格式為 8： 8：8，各可以產(chǎn)生 256 級(jí)灰度，能滿足電子顯示屏 真彩播放的要求。2、真實(shí)圖像色彩再現(xiàn)全彩 LED 電子顯示屏的視覺原理與彩色電視機(jī)一樣，是通過紅、 綠、藍(lán)三種顏色的不同光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)圖像色彩的還原再現(xiàn)。紅、綠、藍(lán) 的純正度直接影響圖像色彩再現(xiàn)的視覺效果。然而白光的三色配比 不是簡(jiǎn)單的三種顏色的疊加。第一、在保證光頻純正的前提下，要求紅、綠、藍(lán)光強(qiáng)之比必

6、須接近 3：6： 1； 第二、因?yàn)槿藗円曈X對(duì)紅色的敏感性，要求紅色發(fā)光源在空間上要 分散分布；第三、因?yàn)槿藗円曈X對(duì)紅、綠、藍(lán)三種顏色光強(qiáng)的不同的非線性曲 線響應(yīng)，要求不同光強(qiáng)的白光對(duì)紅、綠、藍(lán)要進(jìn)行類似電視機(jī)里的Y校正；第四、人的視覺對(duì)色差的分辨能力有限。因此必須找出圖像色彩再 現(xiàn)真實(shí)性的客觀指標(biāo)。為了再現(xiàn)真實(shí)圖像色彩，在 LED 電子顯示屏 的配光上應(yīng)滿足下面一些要求： ? 紅、綠、藍(lán)三色的波長(zhǎng)應(yīng)分別為： 660nm 525nm 470nm左右； 采用 4管單元配白光為佳 多管單元也可以，取決于光強(qiáng)）； ? 紅、綠、藍(lán)三色的灰度級(jí)為 256級(jí)；？ 必須采用針對(duì) LED 像素管的非線性校正。

7、? 紅、綠、藍(lán)三色配光及非線性校正可以用顯示控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)， 也可由播放系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。3、專用顯示驅(qū)動(dòng)電路從目前像素管的幾種顯示方式來(lái)看，可分為：掃描驅(qū)動(dòng)；直流 驅(qū)動(dòng)；恒流源驅(qū)動(dòng)。對(duì)于戶內(nèi)點(diǎn)陣塊屏，一般米用掃描方式；而 對(duì)于戶外像素管屏，要保證所顯示的圖像一致性好、穩(wěn)定、高亮， 必須米用直流驅(qū)動(dòng)加恒流源方式。較早的 LED 電子顯示屏驅(qū)動(dòng)電路大多米用低壓信號(hào)的串并轉(zhuǎn)換CMOS 電 路 和 大 電 流 驅(qū) 動(dòng) 的 雙 極 電 路 兩 塊 組 成 專用集成電路vASIC），它將串并轉(zhuǎn)換和大電流驅(qū)動(dòng)合二為一，這種ASIC 具有如下顯著特點(diǎn)：并行輸出驅(qū)動(dòng)能力大，單路驅(qū)動(dòng)電流高達(dá) 200mA，可直接驅(qū)

8、動(dòng) LED ;電流電壓范圍寬，工作電壓可在515V 內(nèi)靈活選用；串行輸入、移位和鎖存、時(shí)鐘輸入端口都設(shè)有施 密特整形電路；串并輸出電流大，吸收和供給電流都大于4mA，級(jí)連方便；數(shù)據(jù)處理速度高，串行時(shí)鐘頻率，fmax25MHz特別適用 于多灰度彩色顯示屏的 LED 驅(qū)動(dòng)。我國(guó)的 無(wú)錫 東大先 行微 電子 有限公 司也 于 1998 年生 產(chǎn)出 與TPIC6B595 完全兼容的 ASIC 芯片 AMT9094/9095 ，但價(jià)格大為降 低。因?yàn)?TPIC6B595 的并行輸出口僅為 8 位，驅(qū)動(dòng)分辨率較高全彩 顯示屏?xí)r需要 TPIC6B595 的數(shù)量較大，且 256級(jí)灰度控制較麻煩。 為此，美國(guó)

9、TI 公司研制開發(fā)出 LED 電子屏顯示驅(qū)動(dòng)專用集成電路 TLC5901/5902/5903,這種 ASIC的優(yōu)點(diǎn)是：恒流源輸出 580mA 或 10120mA);驅(qū)動(dòng)能力為 80mA x 16Bits或 120mA x 8Bits);PWM 控制的 256級(jí)灰度顯示；亮度 32 級(jí)可調(diào)；時(shí)鐘同步的 8 位并 行數(shù)據(jù)輸入。該芯片使得 256 級(jí)灰度控制更為簡(jiǎn)單，恒流源方式使 得圖像顯示一致性更好， TQFP100 的封裝使得驅(qū)動(dòng)板面積大為減 少。在此基礎(chǔ)上， TI 公司又研制性能更好的 LED 驅(qū)動(dòng)專用芯片 TLC5921 。北京華虹集成電路設(shè)計(jì)公司也研制開發(fā)出性能優(yōu)良的LED 專用集成電路

10、9701，這種 ASIC 具有如下顯著特點(diǎn)：內(nèi)含 8x 16x 32 數(shù)據(jù)掃描陣列，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)至 1/32 動(dòng)態(tài)掃描;數(shù)據(jù)輸入掃描 陣列和數(shù)據(jù)輸出灰度控制分別采用兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘;采用 8 位并行 數(shù)據(jù)輸入和 8 位并行數(shù)據(jù)輸出的級(jí)連功能; 16 個(gè)數(shù)據(jù)輸出端，每個(gè) 端驅(qū)動(dòng) LED 電流可達(dá) 80mA 以上，每個(gè)端數(shù)據(jù)輸出耐壓大于 20V; 數(shù)據(jù)輸出 256 級(jí)灰度;輸出具有模式選擇端，可用于奇、偶幀選 擇;具有非線性校正控制輸入端。4、亮度控制 D/T 轉(zhuǎn)換技術(shù)LED 電子顯示屏是由許多相互獨(dú)立的像素點(diǎn)發(fā)光元)排列而成，因?yàn)橄袼攸c(diǎn)的分離性，決定了其發(fā)光的控制和驅(qū)動(dòng)只能以數(shù)字方式 進(jìn)行。這些像素

11、點(diǎn)的發(fā)光狀態(tài)由控制器同步地控制，獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。視 頻真彩色顯示意味著要對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)的亮度分別進(jìn)行控制，并且 要在規(guī)定的掃描時(shí)間內(nèi)同步地完成。大屏幕是以數(shù)以萬(wàn)計(jì)的像素點(diǎn) 組成的，這使得系統(tǒng)的復(fù)雜性較兩值顯示大屏幕而言大為增加，并 對(duì)總體的數(shù)據(jù)傳輸速度提出了更高的要求。給每一像素點(diǎn)設(shè)置一個(gè) 常規(guī) D/A 顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須尋找一種能最大限度降低系統(tǒng)復(fù)雜 性且性能盡可能高的解決方案。 由視覺原理知道，人對(duì)像素點(diǎn)的平均亮度感覺可取決于它的亮/ 滅占空比。也就是說(shuō)，只要對(duì)像素點(diǎn)亮 /滅占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì) 亮度的控制。對(duì) LED 電子顯示屏而言，這意味著只要將代表像素點(diǎn) 亮度的數(shù)字轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)發(fā)光

12、的時(shí)間 D/T 轉(zhuǎn)換)，即實(shí)現(xiàn)了亮度的 D/A 轉(zhuǎn)換。設(shè)屏幕數(shù)據(jù)刷新的周期為，控制任意像素點(diǎn)亮度的數(shù)據(jù)為 n 位二進(jìn) 制數(shù)D=bi2i其中bi=O或1), Ton為相應(yīng)于D的發(fā)光時(shí)間，則像素 點(diǎn)亮/滅的占空比為：d=To n/Ts=D=b i2i。該表達(dá)式可用可預(yù)置減法計(jì) 數(shù)器實(shí)現(xiàn)，但每一像素點(diǎn)配一計(jì)數(shù)器將使得顯示電路異常復(fù)雜。上 式改寫為：Ton=Tsbi2i,這意味著可將Ton分成幾個(gè)時(shí)間段，因?yàn)楫?dāng) 足夠小時(shí)，幾個(gè)分離時(shí)間段合成的 Ton 與總長(zhǎng)度相同的連續(xù)的 Ton 其視覺效果是相同的。于是，一般地有，對(duì)于n 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)D=bi2i，將分Ts為n段，并選取適當(dāng)時(shí)間分割函數(shù)f(i，使得第

13、i段 Ti=Tsf(i，其中0即為此像素點(diǎn)的亮/滅占空比。因?yàn)楹瘮?shù)f(i對(duì)所 有像素點(diǎn)而言可以是共同的，因而上式表明，只要用 f(i 統(tǒng)一控制 各個(gè)像素點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)全屏幕所有像素點(diǎn)相互獨(dú)立而又同步的 D/T 轉(zhuǎn)換。對(duì)于單個(gè)像素點(diǎn)來(lái)說(shuō)用圖 1 的電路可實(shí)現(xiàn)上式。圖中 SFR 為 8 位移位寄存器，圖為時(shí)間分割函數(shù) f(i 的波形。 大屏幕顯示驅(qū)動(dòng)電路通常采用“串行移位 +鎖存 +驅(qū)動(dòng)”的結(jié)構(gòu)，以 期盡量減少數(shù)據(jù)傳送線。要全屏幕同時(shí)實(shí)現(xiàn)上式，只要將所有 ST 信 號(hào)統(tǒng)一由 f(i 控制即可。當(dāng)然這樣做的前提是要求移位寄存器中存 放的是各個(gè)像素點(diǎn)控制數(shù)據(jù)中的同權(quán)位，而這可通過預(yù)先的數(shù)據(jù)處 理做到。5

14、、數(shù)據(jù)重構(gòu)與存儲(chǔ)技術(shù)存儲(chǔ)器有兩種組織方式：組合像素法 vPackedPixelMethod):即畫 面上每個(gè)像素的所有位均集中存放在單個(gè)存儲(chǔ)體中；位平面法 vBitPlaneMethod):即像素的每一位各自存放在不同的存儲(chǔ)體中。 因?yàn)槭褂昧硕鄠€(gè)存儲(chǔ)體，它們可以一次同時(shí)讀出更多的像素信息。 從兩種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)分析，利用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高 LED 屏的顯示 效果。整個(gè) LED 顯示屏顯示控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 所示。其中，數(shù)據(jù)重 構(gòu)電路完成 RGB 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將不同像素的同權(quán)位組合在一起，然 后存放在相鄰的單元中，從而以位的形式完成整個(gè)數(shù)據(jù)的重新組 合。數(shù)據(jù)重構(gòu)電路主要由四大部分組成： 8

15、位數(shù)據(jù)并行傳送電路； 8 位并 -串轉(zhuǎn)換電路；8位數(shù)據(jù)鎖存電路；8位加1計(jì)數(shù)器。R/G/B各8位數(shù) 據(jù)由經(jīng)同步處理后的像素點(diǎn)頻打入并行鎖存器， 8位加 1 計(jì)數(shù)器輸出 進(jìn)位脈沖 LD ，將 8 位數(shù)據(jù)同時(shí)鎖存到 8 位并-串轉(zhuǎn)換電路，由時(shí)鐘 控制電路完成并 -串轉(zhuǎn)換電路時(shí)鐘的控制。數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)后，一個(gè)存 儲(chǔ)體中不再是一個(gè)像素值，而是不同像素值的同權(quán)位。將所有的同 權(quán)位存放在一起，從而構(gòu)成以位為單位的位平面存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在讀出 時(shí)必須按相反的規(guī)則取出各像素的相鄰權(quán)值。 讀寫地址發(fā)生器必須滿足嚴(yán)格的時(shí)序。對(duì)同一存儲(chǔ)芯片來(lái)說(shuō)，可將 其分為 N 片 一個(gè)像素值用 N 位表示），每片表示一個(gè)位平面，像 素經(jīng)

16、過轉(zhuǎn)換向同一存儲(chǔ)器寫入時(shí)，首先寫 0 位，再寫 1 位，最后寫 N位。對(duì)于8C0I x Row點(diǎn)陣的顯示屏，每個(gè)位平面存有 8C0I x Row 位。存儲(chǔ)器內(nèi)部組織取決于驅(qū)動(dòng)屏體上像素管的邏輯連線關(guān)系。根 據(jù)存儲(chǔ)器組織，讀地址發(fā)生器由列驅(qū)動(dòng)行，再由行驅(qū)動(dòng)位；寫地址 發(fā)生器則采用由位驅(qū)動(dòng)列、列驅(qū)動(dòng)行的方式，從而可以保證讀寫同 步性，正確地同步顯示原始圖像信息。6、邏輯電路設(shè)計(jì)中的 ISP 技術(shù) 在早期的 LED 電子顯示屏顯示控制電路中，大量采用的是常規(guī)數(shù)字 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用數(shù)字電路組合出復(fù)雜控制邏輯。在常規(guī)數(shù)字電路 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成后，須先制作電路板，然后安裝元 件，調(diào)試。如果電路板

17、的邏輯功能不符合要求就必須重新設(shè)計(jì)制作 電路板，再重新調(diào)試，直到實(shí)現(xiàn)邏輯功能為止。很顯然，這種設(shè)計(jì) 方法的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高，且成品可靠性差，維修麻煩。利用普 通可編程的邏輯器件，雖可減少印刷電路板的設(shè)計(jì)與制作，但在修改該邏輯時(shí)仍舊不能避免器件的反復(fù)插拔 在系統(tǒng)可編程技術(shù)(In-SystemProgrammable縮寫ISP，是指在用戶 自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)中或電路板上為重構(gòu)邏輯器件編程或反復(fù)改寫 的能力。常規(guī) PLD 在使用中通常是先編程后裝配，而采用 ISP 技術(shù) 的 PLD 則是先裝配后編程，成為產(chǎn)品之后還可以反復(fù)編程。在系統(tǒng) 可編程技術(shù)的出現(xiàn)，從實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)了邏輯設(shè)計(jì)師們多年來(lái)夢(mèng)寐以求 的

18、“硬件設(shè)計(jì)與修改軟件化”的愿望，使得數(shù)字系統(tǒng)面貌煥然一 新。采用 ISP 技術(shù)后，硬件設(shè)計(jì)變得像軟件一樣易于修改，硬件的 功能可以隨時(shí)加以修改或按預(yù)定的程序改變組態(tài)。這不僅擴(kuò)展了器 件的用途，縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，而且根除了對(duì)器件單獨(dú)編程的環(huán) 節(jié)，省卻了器件編程設(shè)備，簡(jiǎn)化了目標(biāo)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和升級(jí)工 作。ISP技術(shù)還有一個(gè)特點(diǎn)是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行邏輯輸入時(shí)，輸 入與所選器件無(wú)關(guān)。因此，在輸入之前可選擇任何一種器件，甚至 可以選擇一種“虛擬器件” (VirtualDevice。在輸入完后，再根據(jù)仿 真和適配的結(jié)果選擇器件。ISPLSI 器件是美國(guó) LATTICE 公司于 1992 年推出的新一代高密度可 編程邏輯器件，容量可達(dá) 25000 門，具有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA 的容量和靈活性。 它采用 E2CMOS 工藝， 時(shí)鐘頻率 可以高 達(dá) 180MHz，傳輸延時(shí)為5ns,低功耗，