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硕士论文 基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 摘要 显示技术被定义为新世纪世界朝阳产业之一。几十年来，l e d 显示技术成为一项使 用最广泛和最普及的技术，由于其极高的性价比、高亮度、主动发光等特性，使得l e d 构成的大屏幕已经被广泛的应用于车站、码头、广场等各种场合以及各企事业单位，成 为各单位、部门很好的信息发布与交流工具。传统的显示技术以简单的8 位或者1 6 位单 片微控制器为核心，其运算速度、内存容量、存储空间和通讯方式等方面存在着很大的 局限性，很难实现高难度图文动态特技显示和高灰度级显示，并且无法满足信息容量大 和处理速度很高的场所。 本文在分析l e d 显示控制原理、灰度级实现以及彩色显示实现原理的基础上，制定 了a r m + f p g a 的l e d 点阵显示控制方案，采用三星公司$ 3 c 2 4 1 0 芯片上的l c d 显示接 口，设计了显示数据重组、非线性占空比丫反校正等逻辑，结合f p g a 技术实现了高性 能的l e d 点阵显示控制：同时研究了嵌入式l i n u x 操作系统，在实验基础上详细论述基 于l i n u x 操作系统的帧缓存设备模块加载模式下的控制技术，并开发基于a r m 平台的 l e d 显示屏播放以及管理应用程序。 本文的创新之处在于提出并系统研究了改善l e d 显示效果的数据重组技术以及非 线性占空比下的y 反校正技术，并通过软硬件调试系统达到预期显示效果。 关键字：l e d 点阵显示，像质优化丫反校正，嵌入式编程，l e d 控制 a b s t r a c t硕上论文 a b s t r a c t d i s p l a yt e c h n o l o g yi sd e f i n e da so n eo f t h ew o r l d ss u n r i s ei n d u s t r i e si nt h en e wc e n t u r y f o rd e c a d e s t h ed i s p l a yt e c h n o l o g yi sam o s tw i d e l yu s e da n dm o s tp o p u l a rt e c h n o l o g yf o ri t s h i g hc o s tp e r f o r m a n c e i th a sb e e nw i d e l yu s e di ns t a t i o n s ，t e r m i n a l s ，s q u a r e sa sw e l la s e n t e r p r i s e s a n di n s t i t u t i o n s t h e d i s p l a yt e c h n o l o g y h a sb e c o m eg o o di n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nt o o l si na l lk i n d so fw o r ku n i t sa n dd e p a r t m e n t s t r a d i t i o n a ld i s p l a yt e c h n o l o g yu s e das i m p l e8 - b i t so r16 b i t ss i n g l e c h i pm i c r o c o n t r o l l e ra s t h ec o r e t h e r ea r eal o to fl i m i t a t i o n si ni t sc o m p u t a t i o n a ls p e e d ，m e m o r yc a p a c i t y ，s t o r a g e s p a c ea n dc o m m u n i c a t i o ne t c i ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v eh i g h l yd y n a m i cg r a p h i cd i s p l a ya n dt h e h i g hg r a y s c a l ed i s p l a y a n di t i su n a b l et om e e tt h ed e m a n d so ft h eh i g hi n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gc a p a c i t ya n dt h eh i g hs p e e dp l a c e s i nt h i sp a p e r ，a r m + f p g ac o n t r o lm e t h o dw a ss u mu pb a s e do nl e dd i s p l a yc o n t r o l p r i n c i p l e ，t h er e a l i z a t i o no fg r a y - s c a l ea n dc o l o rd i s p l a yp r i n c i p l e s a m s u n g $ 3 c 2 410c h i p s w e r eu s e do nt h el c d d i s p l a yi n t e r f a c e d i s p l a yd a t ar e o r g a n i z a t i o nm o d u l ea n dn o n - l i n e a r l o g i cm o d u l e sw e r ed e s i g n e dw i t hf p g at or e a l i z eah i g h - p e r f o r m a n c el e dd o tm a t r i x d i s p l a y t h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mw a ss t u d i e da tt h es a m et i m e f i n a l l y ， f r a m e b u f f e rd e v i c em o d u l ec o n t r o lt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e di nd e t a i la n dl e dd i s p l a ya n d m a n a g e m e n ta p p l i c a t i o nw e r ed e v e l o p e db a s e do na r mp l a t f o r m t h et w oi n n o v a t i o n p o i n t s i nt h i sp a p e rw e r ed a t ar e o r g a n i z a t i o na n dn o n - l i n e a r d u t y c y c l ec a l i b r a t i o nt e c h n i q u e t h r o u g ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n g ，i tw o u l d a c h i e v et h ed e s i r e de f 佗c t k e y w o r d ：l e dd o tm a t r i xd i s p l a y , o p t i m i z a t i o no fi m a g eq u a l i t yw i t hi n v e r s e1 c o r r e c t i o n ， e m b e d d e dp r o g r a m m i n g ，l e dc o n t r o ll o g i c 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文 基于a r m 的l e d 显示控制技术研究 1 绪论 1 1 课题背景 显示技术i l 】，它是建立在光学，化学，电子学，机械学，声学等科学技术基础上的 具有某种程度的综合性技术。随着光电子技术的发展，对信息显示的要求越来越高，据 研究，人们经各种感觉器官从外界获得信息时视觉占6 0 以上，现如今许多信息都是通 过显示技术提供的，可以说显示技术已是不可缺少的技术领域。近几年显示技术发展迅 速，已经渗透到当今工业生产、社会生活和军事领域中，显示产业在信息产业中起着重 要作用，因此对显示技术提出了越来越高的要求。因而研究显示控制技术在各个学科的 研究方面都是具有科学意义的。 显示技术通过几十年的发展，技术上经历了很大的革新。首先在显示器件【2 】上，第 一代显示器c r t 在诸多显示器中，发展历史最久，技术最为成熟。它使用阴极射线管 技术，在加电以后，灯丝会发热，热量辐射到阴极，阴极受热便发射高速电子，经过垂 直和水平的偏转线圈控制高速电子的偏转角度，最后高速电子击打屏幕上的磷光物质使 其发光，通过电压来调节电子束的功率，就会在屏幕上形成明暗不同的光点形成各种图 案和文字。这种显示器在市场上以其低成本至今占据着重要的主导地位，大部分的家庭、 监视系统等都在使用c r t 屏幕。第二代显示器l c d 显示器，它依靠电压改变液晶分子 的排列方向来改变光学特性显示图像，它的优势在于零辐射、低耗能、散热小、轻薄短 小、精确还原图像、显示字符锐利、屏幕调节方便等等。随着l c d 显示技术日趋成熟， 它逐渐取代c r t 成为显示器市场的新宠。在手机市场、电脑显示屏、电视显示屏等显 示系统上采用的都是l c d 显示屏幕，但是这样的显示屏幕由于工艺问题和成本并不能 生产过大尺寸的屏幕。l e d 技术的完善使得大屏幕彩色显示屏幕成为了现实，因而l e d 显示器逐渐占据了一定的市场份额，并大有赶超l c d 之势。l e d 显示器集微电子技术、 计算机技术、信息处理于一体，以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳 定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，目前，l e d 显示器已广泛应用于大型 广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的 需要。l e d 显示器与l c d 显示器相比，l e d 在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都 更具优势。l e d 与l c d 的功耗比大约为1 0 ：1 ，但更高的刷新速率使得l e d 在视频方面 有更好的性能表现，能提供宽达1 6 0 0 的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动 画信息，也可以播放电视、录像、v c d 、d v d 等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进 行联网播出。l e d 显示屏的单个元素反应速度是l c d 液晶屏的1 0 0 0 倍，在强光下也可 以照看不误，并且适应零下4 0 度的低温。利用l e d 技术，充分发挥l e d 的显示性能， 可以制造出比l c d 更薄、更亮、更清晰的显示器，使得l e d 拥有更加广泛的应用前景。 1 1 绪论硕士论文 其次，在l e d 显示控制技术上，经历了小规模集成电路，大规模集成电路器件， 单片微控制器，可编程逻辑器件，嵌入式控制系统几个阶段。小规模集成电路和大规模 集成电路的出现，使控制领域的应用变得十分广泛，它解决了功耗，处理速度，系统空 间面积等等的问题，但是其的专有性设计，使得其应用场合过于单一，不能普遍应用更 多的场合。随后，出现了单片微控制器，最重要的为5 1 型单片机【3 j ，它是一种集成电路 芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力( 如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断 处理) 的微处理器( c p u ) ，随机存取数据存储器( r a m ) ，只读程序存储器r ( r o m ) ，输入输出 电路( i o 口) ，可能还包括定时计数器，串行通信r e ( s o ) ，显示驱动电路( l c d 或l e d 驱动 电路) ，脉宽调制电路( p w m ) ，模拟多路转换器及a d 转换器等电路集成到一块单块芯片 上，构成一个最小当很完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高 效地完成程序设计者事先规定的任务因而单片机有着微处理器所不具备的功能，它可 单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征同时该器 件具有价格低廉、开发环境完备，开发工具齐全，应用资料众多的优势。目前单片机控 制的l e d 、l c d 显示系统随处可见，公车站牌，广告牌，公告、电子表、交通灯等等 都是使用的单片机控制的系统，它满足了一定的实际需要。 但是8 位单片机的弊端逐渐暴露出来：处理数据无法满足现在大数据量、高存储、 高速度的要求。因而满足高速、大容量、处理频率高的控制芯片应运而生。其中使用最 多的为专用数字信号处理芯片d s p 、可编辑逻辑器件f p g a 、嵌入式芯片a r m 等等。 现如今，很多显示控制器都尝试使用上述三种器件作为核心控制单元对显示器进行控 制，并取得了一定的效果，满足了现如今大信息量，快速处理的需求，使得室内外大屏 幕高灰度级彩色显示得到了长足的进步。应用在足球场，中央商业区等地区的显示屏幕， 只需要使用一片或者几片芯片就能解决以往使用数十片8 位单片机才能解决的问题。 经过广泛查阅中外有关显示控制的资料，得到已经成熟的控制方案有： ( 1 ) 单片机显示控制系统；( 2 ) d s p 显示控制系统；( 3 ) f p g a 显示控制系统；( 4 ) a r m 显示 控制系统。 1 2 现行图像显示系统中存在的问题 1 2 1 显示器件和图像微控制器处理能力的问题 早期使用的模拟c r t 显示屏幕，它的最大优势在于，可以在相对低廉的价格下获的 所必须的各种功能和性能。而且，可进行大画面高密度显示，彩色c r t 与黑白c r t 在布 置的布局上无本质的变化，可进行无极灰度调节显示等。特别是c r t 为电子束扫描方式， 与其他电子显示屏采用矩阵阵列的扫描方式不通，所需要的驱动电机很少。但是体积大， 驱动电压高、耗能多，图像容易出现畸变的劣势逐渐暴露。随着技术的逐渐成熟，现如 2 硕士论文 基于a r m 的l e d 显示控制技术研究 今的l e d 、l c d 、p d p 等逐步取代c r t 成为显示屏的主力军，低能耗，体积小、柔和的 色彩，高对比度更加贴近现实景物，给人以赏心悦目的感觉。而且上述新器件采用阵列 驱动方式，原理简单，设计方便。 再次，在控制技术方面，早期的单片机作为控制芯片的核心，短期内解决了处理数 据的速度，满足了一定显示的要求，但是随着现代显示要求的逐步提高，单片机系统种。 种弊端暴露无疑。虽然在成本上单片机的优势尤在，但是随着芯片开发技术的拓展和生 产效率的逐步提高，高性能，大容量的处理芯片出现，使得我们将在显示控制芯片的选 择上淘汰单片机，转而选择d s p 、a r m 或者f p g a 作为开发核心，但是单一选择d s p 、 a r m 、f p g a 作为控制器件，或者解决了处理速度的问题，或者解决了高速传输问题， 顾此失彼，并不能同时解决两问题。将上述器件组合使用成为解决问题的途径。 1 2 2 开发系统问题 数字图像显示控制具有两个突出的特点，一个是数据量大，再一个是处理速度要求 高。传统的处理系统的实现基于桌面的p c 机，处理系统的快速发展使传统的处理系统越 来越不能满足数字图像处理实时性和小型化要求。并且现有的处理系统功能单一，要实 现不同的功能需要修改的内容过于繁琐，不利于提高开发效率。 1 2 3 数据处理问题 首先，传统的显示控制方面的处理由于数据量比较小，显示的色彩相对单一，在处 理方式上仅仅需要制定二个数据表，程序上使用指针根据时序取出相应点的颜色值，并 将其传入显示设备即可。现如今显示内容更加的丰富，需要的色彩更加的多样，而且数 据量巨大，仍然使用传统的处理方法使得显示无法满足高灰度级的特点，并且处理速度 过慢。其次，随着l e d 大屏幕彩色显示技术的逐渐成熟和成本的逐渐降低，l e d 显示 器件将逐渐占据显示器的市场，但是l e d 显示的线性特性并不能与采集器件匹配，使 得显示效果出现畸变，严重影响观赏效果。 1 3 提出新的解决方案 根据上述提出问题，结合广泛的查阅资料，本文提出使用a r m + f p g a 的处理方案。 应用3 2 位的a r m 高速处理器代替原来8 b i t 单片机成为数据处理核心，控制室内l c d 屏幕 的显示，同时采用f p g a 处理由删引出的同步r 、g 、b 信号和行、场同步信号，配合 实现室内l c d 屏幕控制室外l e d 屏幕的设计工作。一方面解决了高速处理数据的问题， 另一方面也解决了高速并行传输的问题。 在处理系统方面，采用零成本，源码完全公开的l i n u x 操作系统作为开发平台，采用 n f s 挂载方式共享主机r o o t 文件系统中的应用程序；在a r m 控制技术方面，主要讨论两 种处理方案：单一显示控制方案和功能模块加载系统方案，并得出合理处理方法；f p g a 3 1 绪论硕i ：论文 控带i j l e d 方面，主要讨论乒乓原理显示控制方案；图像采集和处理方面，利用专用图片 处理软件i m a g e 2 l c d 对待显示图像进行格式和数组转换，得到适合显示的r g b = 5 ：6 ：5 的 1 6 位图像数组。 数据处理方面，针对传统数据处理方面的劣势，本文采用数据重组技术以及非线性 占空比下的丫反校正技术，解决高灰度级、大数据量显示所面临的问题。 1 4 本文研究内容及创新之处 本文的研究内容主要有： ( 1 ) l e d 显示控制原理、灰度级实现、彩色显示原理研究； ( 2 ) a r m 嵌入式原理及接口设计； ( 3 ) l i n u x 管理应用程序设计； ( 4 ) l e d 显示屏数据重组模块和y 反校正模块逻辑设计。 其中，本文研究的创新之处如下： ( 1 ) 对显示数据进行重组存储，实现l e d 显示效果的改善： ( 2 ) 提出非线性占空比下的丫反校正技术。 1 5 本文结构 本论文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章，绪论，介绍本文的课题背景和提出关于显示控制新方案以及工作安排； 第二章，介绍l e d 的显示原理以及研究彩色显示技术原理，着重介绍数据重组和 y 校正技术的原理； 第三章，介绍嵌入式a r m 器件系统相关硬件的结构以及相关参数的配置，以及 l i n u x 操作系统、文件系统的原理，根据硬件理论结合本次设计需要完成整个系统的硬 件设计； 第四章，深入研究不同的嵌入式控制方案，完成显示播放应用管理程序设计； 第五章，研究完成l e d 显示控制f p g a 部分的逻辑模块设计工作； 第六章，系统调试效果以及研究探讨调试中遇见问题的解决方法。 1 6 本章小结 本章主要介绍了显示控制方面的意义和背景。介绍了显示控制技术方面有关显示器 件和控制器件的现状和成熟方案，根据实际的需求，提出现有系统的种种问题，并得出 能够解决高速处理、高速传输要求的a r m + f p g a 显示控制方案。最后详细介绍了本文 的结构安排。 4 硕士论文 基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 2l e d 彩色显示技术研究 2 1l e d 显示屏幕的显示原理 2 1 1l e d 发光原理1 4 i 发光二极管( 即l e d ) 是一种注入式电子发光器件，它由p 型和n 型半导体组合而成。 结构示意图如下2 1 ： 蹦l 雹弛搭审2 ( a ) 负极引线 m ) 负极引线 ( c ) 图2 1l e d 发光二极管示意图 实际是将p n 结管芯烧结在金属或者陶瓷坐上，然后用透明的环氧树脂封装而成。 当p n 结加上正电压时，结区势垒降低，p 区的空穴载流子p 向n 区扩散，n 区的电子 n 向p 区扩散，p 和n 在p n 结区相遇复合释放能量而发光。制作发光二极管的材料很 多，只要有直接带( 直接跃迁) 材料g a a s 、g a n 和z n s c ，间接带( 间接跃迁) 材料g a p 以 及利用窄禁带的直接带材料g a a s 与宽禁带的间接材料g a p 生长的混晶。这种晶体的好 处是可以得到比原来直接带更宽的禁带，同时仍然保持直接带性质的新三元化合物材 料。显然，e g 越宽，释放的能量就越大，发光的波长就越短。但当材料具有不同的掺 杂时候，可发出不同颜色的光。比如g n p 掺z n 与氧时可发出0 7 p m 的红光，而g a p 掺 z n 与氮时可以发出0 5 6 p m 的绿光。这种发光器件和白炽灯泡相比，有体积小、耐冲击、 寿命长、功耗低、响应快、可靠性高、颜色鲜明、易和集成电路匹配等等特点，因而获 得了广泛的应用。 2 1 2l e d 的特性参数1 5 i ( 1 ) l e d 的效率 用于显示的l e d ，有实际意义的是流明效率”，( 光度效率或者发光效率) 。即用人眼 衡量的效率，它表示消耗单位电功率p 所得到的光通量f 。即 1 1 = f 只( i r a l w )( 2 1 2 1 ) 而 1 1 = 1 口1 r 1 6 ( 2 1 2 2 ) 2l e d 彩色显示技术研究 硕上论文 式中，t 1 。为照明效率，它是辐射功率转换成光通量的效率。即 t 1 占= f e ( 砌w )( 2 1 2 3 ) 显然，提高t 1 l 的方法就是提高n 。和t 1 。，即使发光光谱与视见函数有最大的叠。 ( 2 ) 发光光谱 发光光谱是指发光的相对强度( 或能量) 随波长( 或频率) 变化的分布曲线。它直接决 定着发光二极管的发光颜色，并影响他的流明效率。描述光谱分布的两个主要参量是峰 值波长和半轻度宽度( 称为半宽度) 。 对于跃迁所发射的光子，其波长九与跃迁前后的能量差值e 之间的关系为 九= h c a e ( 2 1 2 4 ) 对于发光二极管的峰值波长是由材料的禁带宽度决定的。对于大多数材料来说讲， 由于折射率较大，在发射光逸出半导体之前，可能在样品内已经过了多次反射。因为短 波长比长波光更容易被吸收，所以峰值波长相应的光子能量比禁带宽度小一些。 ( 3 ) 伏安特性 发光二极管的伏安特性如图2 2 所示，它与普通二极管的伏安特性大致相同。l e d 必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。电压小于开启点时无电流，电压超过开启 点就显示出欧姆导通特性。这时正向电流与电压的关系为： i = f 。e x p ( e v m k t )( 2 1 2 5 ) j i b 临 尸 0 v ， 一 h 图2 2 发光二极管伏安特性 式子中，m 为复合因子。在宽带半导体中，但电流i 0 1 m a 时，通过结内深能级进 行复合的空间复合电流起支配作用，这时候m = 2 。电流增大后，扩散电流占优势时候， m = 1 因而实际测得的m 值大小可以标志器件发光特性的好坏。 ( 4 ) 发光亮度与电流的关系 发光二极管的发光亮度b 是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在p 区的情 况下，发光亮度b 与电子扩散电流id n 之间的关系如下： t b o ci d , , i (12r 22 6 ) p t 【1 6 ) 式子中，t 是载流子辐射复合寿命t r 和非辐射复合寿命t 舰。亮度随着电流密度竞 6 预上论文 基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 是成正比增加而不易饱和的管子，适合于脉冲下使用。因为脉冲状态工作不易发热，在 平均电流与直流相等情况下可以得到更高亮度。 2 1 3l e d 显示屏显示原理 l e d 点阵显示屏幕是由结构化的l e d 显示模块拼装而成的。每一个显示模块由一 组二极管矩阵排列并进行封装而成。如下图2 3 所示： 图2 3l e d 模块 单色的模块中每一个像素对应一个l e d 管。而彩色的l e d 屏幕每一个像素是由 r g b 三基色的三个l e d 组合而成的。如果每一个像素的三色l e d 发光的亮度随着点亮 对应像素的r g b 信号变化而变化，就能使得相应像素点显示出所需要的色彩。当使用 一定的技术控制屏幂上的每一个像素点，就能展示出完整的图像。视觉成像的两个重要 参数为图像的对比度和灰度等级，其中，对比度是指投影图像最亮和最暗之间的区域之 间的比率灰度等级在黑白显示器中显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中表现为颜 色的不同。灰度足相对于单色而言的，将亮度分成2 5 6 恰好一个字节。纯红色是2 5 5 级 最高，不纯的级别也就低了灰度级取决于每个像素对应的刷新存储单元的位数和显示器 本身的性能。如每个象素的颜色用1 6 位二进制数表示，我们就叫它1 6 位图，它可以表 达2 的1 6 次方即6 5 5 3 6 种颜色。显然，对比度越高，灰度级别越高的图像会更加逼真 的还原真实图形。一般我们人眼能够分辨的扶度级别大约为1 0 0 级左右。2 5 6 扶度级别 的图像过度十分柔和，对人眼来说能达到比较舒适的感觉。 2 2 显示屏幕全彩色实现 2 2 1 色度学三基色原理1 彩色视觉是人眼的一种明视觉。彩色光的基本参数有：明亮度、色调和饱和度。明 亮度是光作用于人眼时引起的明亮程度的感觉。一般来说，彩色光能量大则显得亮，反 之则暗。色调反映颜色的类别，如红色、绿色、蓝色等。彩色物体的色调决定于在光照 明下所反射光的光谱成分。例如某物体在日光下呈现绿色是因为它反射的光中绿色成 分占有优势，而其它成分被吸收掉了。对于透射光，其色调则由透射光的波长分布或光 谱所决定。饱和度是指彩色光所呈现颜色的深浅或纯洁程度。对于同一色调的彩色光， 其饱和度越高，颜色就越探，或越纯：而饱和度越小，颜色就越浅，或纯度越低。高饱 和度的彩色光可因掺入白光而降低纯度或变浅，变成低饱和度的色光。因而饱和度是色 2l e d 彩色显示技术研究 硕十论文 光纯度的反映。1 0 0 饱和度的色光就代表完全没有混入白光阴纯色光。色调与饱和度 又合称为色度，它即说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。 应强调指出，虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可 来自不同的光谱成分组合。例如，适当比例的红光和绿光混合后，可产生与单色黄光相 同的彩色视觉效果。事实上，自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成，这就 是三基色原理。 基于以上事实，有人提出了一种假设，认为视网膜上的视锥细胞有三种类型，即红 视谁细胞、绿视锥细胞和蓝视锥细胞。黄光既能激励红视锥细胞，又能激励绿视锥细胞。 由此可推论，当红光和绿光同时到达视网膜时，这两种视锥细胞同时受到激励，所造成 的视觉效果与单色黄光没有区别。 三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一颜色均不能由其它二色混合产 生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两 种基色系统，一种是加色系统，其基色是红、绿、蓝；另一种是减色系统，其三基色是 黄、青、紫( 或品红) 。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为： 红+ 绿= 黄 红+ 蓝= 紫 蓝+ 绿= 青 红+ 蓝+ 绿= 白 彩色还可由混合各种比例的绘画颜料或染料来配出，这就是相减混色。因为颜料能吸收 入射光光谱中的某些成分，未吸收的部分被反射，从而形成了该颜料特有的彩色。当不 同比例的颜料混合在一起的时候，它们吸收光谱的成分也随之改变，从而得到不同的彩 色。其规律为： 黄= 白一蓝 紫= 白一绿 青= 白一红 黄+ 紫= 白一蓝一绿= 红 黄+ 青= 白一蓝一红= 绿 紫+ 青= 白一绿一红= 蓝 黄+ 紫+ 青= 白一蓝一绿一红= 黑 相减混色主要用于美术、印刷、纺织等，我们讨论的图象系统用的是相加混色，注 意不要将二者混淆。根据人眼上述的彩色视觉特征，就可以选择三种基色，将它们按不 同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。 8 硕上论文基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 2 2 2 全彩色显示原理1 7 i 重现景物的色彩，通常是依靠彩色显示屏幕上的红、绿、蓝三种颜色在控制下发出 各自的基色光，并混合成彩色图像的。我们把这三种基色称为显像三基色，它不同于物 理三基色。不同物质所呈现的色度、亮度各不相同，但均可在色度图中找出其准确的坐 标位置，我们希望所选定的显像三基色在色度图上构成的三角形面积尽可能大些，以使 它们混合成的色彩更丰富。由于色度图谱色曲线近似三角形，而红、绿、蓝谱色点恰位 于谱色曲线三个顶端，故选红、绿、蓝三种色调的基色最好。同时要求发光效率尽可能 高，这将使色彩明亮、鲜艳。 l e d 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三种颜色简单的叠加。这是因为：为了达到最佳亮度和最低 的成本，保证光频纯正的前提下应尽量选择三原色发光强度成大致为3 ：6 ：1 的比例； 由于人眼对红色的敏感性，要求红色发光源在空间上要分散分布；由于人眼视觉系统 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伽马矫正；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l e d 显示屏的配光上应满 足下面一些要求： ( 1 ) 采用4 个彩色管匹配白光为佳( 多管单元也可以，取决于光强) ； ( 2 ) 绿、蓝、红三基色发光管的波长应分别为：5 2 5 n m ，4 7 0 n m ，6 6 0 n m 左右； ( 3 ) 红、绿、蓝三色的灰度级为2 5 6 级； ( 4 ) 必须采用针对l e d 像素的非线性矫正。 红、绿、蓝三色配光及非线性矫正可以设计显示控制系统硬件实现，也可由设计系 统软件控制实现。 2 2 3 颜色匹配i 踟 颜色方程就是表示颜色匹配的代数式。若以( c ) 代表被匹配的颜色单位，( r ) 、( g ) 、 ( b ) 表示三基色的单位，c 、r 、g 、b 分别表示被匹配颜色的数量，那么颜色方程可写为： c ( c ) 蓦r ( 月) + g ( g ) + b ( b ) ( 2 2 3 1 ) r 、g 、b 称为三刺激值，为数量值，可以正负。 色度学中，( r ) 、( g ) 、( b ) 不是用物理量为单位，而是选择用色度学单位。其确定方 法是：选一特定白光( w ) 作为标准，当用红绿蓝三色与此白光匹配时，所需要的三基色 的光通量比值( 三，：三。：l 。) 定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。如匹配鲜流 明的c 光，需要的r g b 的量分别为：k ，k 。瓦，写出颜色方程为： 足( c ) 兰最( r ) 吃( g ) 尼( b ) ( 2 2 3 2 ) 9 ! ! ! ! 墅垒里至垫苎竺塑一一里：! ! ! 苎 式中以1 流明为单位。用色度学单位来表示为： c 心) * r ( r ) g + ( g ) + b ( b )( 2 233 ) 其中c = r + g + b r _ r l ，g = r ，上。，b 2 只，上 当c = l 时，上式子町写为： ( 。；i 乏b ( 砷+ i 南( g ) + 瓦彘( 功 ( ：，34 ) 取r = 而r ，s = 而g ，6 = 志 r 、g - b 叫做色品坐标，因为r + b + g = 1 ，所以实际上只有两个变量独立。 圈24 色厦凹 n r o b 系统唧如上图24 ，是建立在菜特和吉尔德两项颤色匹配试验基础上的。但 是坐标存在部分负值，这样计算中会出现负值，使用起来不方便。1 9 3 1 年推出通用系统- 如右图所示，三原色是这样假设的： ( 1 1 规定( x ) ( z ) 代表色度，没有亮度，亮度只与刺激值y 有关。x z 线称为无亮度线 它是由r g 色品图上的方程满足0 亮度线的条件而得。x z 方程为： 09 3 9 9 r + 45 3 0 6 9 + 00 6 0 1 = 0( 2 2 35 ) ( 21 在此系统中光谱三刺激值全为正值要达到此要求在选择三原色时必须使三原色 所形成的颜色三角形能包括整个光谱轨迹。 ( 3 1 光谱轨迹从5 4 0 r i m 附近至7 0 0 n m ，在r g b 色品图上基本是一直线，新的x y z 三角形的x y 边应与重合，因为在这段上只涉及“) 和( y ) 的变化，所以x y 线方程为： ，+ 0 9 9 9 一1 = 0 ( 223 6 ) f 4 1 y z 边取与光谱轨迹波长5 0 3 r i m 点相切的直线，其方程为： 14 5 r + 05 5 9 + 1 = 0( 2 237 ) 求出三条直线的交点，就能得到( x ) 、( y ) 、( z ) 新的三原色在r g b 系统中的坐标，经过坐 标变换可到x y 色品图的光谱轨迹。在光谱轨迹外面所有颜色是物理上不能实现的，光 硕士论文 基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 谱轨迹曲线以及连接光谱两端点的直线所构成的马蹄形内部包括了一切可实现的颜色。 2 3l e d 灰度级实现方法1 1 0 1 l e d 彩色显示屏幕的2 5 6 灰度级实现方法可采用逐位分时原理，即从一个字节数 据中依次取出一位数据，分八次点亮对应的像素，每一位对应的每一次点亮时间与关断 时间的占空比不同。如果点亮时间从低位到高位依次递增，则合成点亮时间将会有2 5 6 种组合。定义点亮时间加上关断时间为一个时间单位，设为t 。下表列出了每一位的点 亮与关断时间分配。如表2 1 和2 2 所示 表2 1 时间分配表 数据位点亮时间关断时间总时间 d 0t 1 2 8飞玉| 1 2 8t d l弋| 6 4 弋二飞| 6 4t d 2t 3 2t 1 3 2t d 3t 1 6t 1 1 6t d 4t 8t 1 8t d 51 4弋五1 4t d 6t 2 t t ，2t d 7tot 表2 2 数据时间分配表 数据位 点亮时间关断时间总时间 0 0 ho8 t8 t 0 1 h弋| 1 2 8 双玉| 1 2 88 t 0 2 h2 t 1 2 8 8 t 2 t 门2 88 t 0 3 h3 t 1 2 88 t 3 t 12 88 t f f h 2 5 5 t 门2 88 t 2 5 5 t 门2 88 t 如果定义数据位1 有效( 点亮) ，o 无效( 熄灭) ，则表2 2 列出了数据从0 0 h 到 f f h 时的不同点亮时间。由表2 2 可知：数据每增加l ，点亮时间增加t 1 2 8 。根据点亮 时间与亮度的关系基本为线性关系原理，从0 8 t 2 5 5 t 1 2 8 的点亮时间则为对应的2 5 6 灰度级。当然，这个亮度是时间上的累加效果。如果把一个l e d 点阵显示屏所有像素对 应的同一数据位点亮一遍称为一场的话，那么8 位数据共需八场显示完，称为8 场原 理。理论上讲，8 场即可显示出2 5 6 级灰度级，然而通过表2 2 看出，即使数据为f f h 1 l 2l e d 彩色显示技术研究 硕上论文 时候，在8 t 时间内也只是点亮了2 5 5 t 1 2 8 时间，关断时间可接近6 t ，点亮时间仅为 总时间的约2 5 。因此，8 场原理虽然也能实现2 5 6 狄度显示，但是亮度损失太大，为 了提高亮度，可采用1 9 场原理，即8 位数据分1 9 场显示完，其中d 7 为数据连续显 示8 场，d 6 位连续显示4 场，依次递减。表2 3 列出了各位的点亮与关断时间。由表3 可推导出数据从0 0 h f f h 范围的总点亮时间，如表2 3 和2 4 所示。 表2 3 时间分配表 数据位点亮时间关断时间 总时间 d 78 to 8 t d 64 to 4 t d 52 to2 t d 4 t0t d 3 t 2t 2t d 2t 43 t 4 t d 1t 87 1 、8t d 0 t 门61 5 t 1 6t 表2 4 数据时间分配 数据位点亮时间总时间 0 0 h o1 9 t 0 1 ht 1 61 9 t 0 2 h2 t 1 61 9 t 0 3 h3 t 门61 9 t f f h 2 5 5 t 1 61 9 t 在1 9 t 时间内，最大的点亮时间可达近1 6 t ，占总时间的8 4 2 1 ，远远大于8 场 原理的2 5 。数据每增l ，点亮时间增加t 1 6 ，该值远大于8 场原理的t 1 2 8 所 以，1 9 场原理较8 场原理的对比度更加明显，图像层次更加分明、表现力更强。 2 4l e d 显示校正方法研究 配置好了颜色的比例，并不能说明只要写入数据就能在显示系统上正常显示。这要 l 硕士论文基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 从人的视觉原理说起。人的眼睛感觉到亮度增加一级的时候，光强( 光的能量) 将增加一 倍，同样，当人的眼睛感觉到亮度减小一级的时候，光强将减少一半。就是说，人的眼 睛感觉到的亮度的成比例的线性变化，是由光强的倍数变化引起的。根据l e d 器件的特 点，要进行相应的矫正，才能显示我们人眼睛接受的逼真图像，否则就会出现畸变。对 于l e d 显示器件，目前没有彩色l e d 显示屏幕的图像源以及标准。所以是将采集的图像 信号直送给彩色l e d 显示屏幕进行显示。l e d 灰度都是用点亮的占空比来控制的，这样 它的亮度和驱动信号成线性的关系，因此它的发光特性与采集器件有着很大的差别。如 果仅仅把信号简单的从采集器件加载入l e d 显示板上就会显示出不正常的图像。使得图 像亮度提高，使得灰度降低，观赏性很差。因而本文提出数据重组和非占空比丫反校正 设计方法，使得显示屏幕的显示能够达到逼真、柔和的效果。 首先进行数据重组方式的存储和提取。我们将所有的灰度级别的数值，以一定的规 律存储在存储器中，制成灰度层查找表( l u t ) 。具体方式为：一个像素点的灰度由8 位二 进制数组成，它们是以串行数据的方式进入可编程逻辑器件，八个像素点为一组，那么 三个颜色的组合就是2 4 b y t e 。八个时钟将八个像素点三色的灰度值传输完毕，整体搬移 并按照设计意图存储在存储器相应的地址处。这样就可以将所有数据制成灰度层查找 表。当要实现灰度级占空比显示时，只要在时钟的配合下，到相应的地址取灰度数据即 可。 其次就是非线性占空比丫反校正方式。彩色l e d 显示屏幕总是用数字信号驱动的， 灰度用对应的l e d 显示点点亮的占空比来控制，这样其物理亮度与占空比成正比，也即 与控制量成正比。相当于丫= 1 ，所以l e d 显示屏没有显像管的非线性，这反而十分不 利。整个系统中缺少了应有的将视觉明度变换到物理亮度这一环节。如果将l e d 显示屏 与c r t 相并接，提供给l e d 显示屏的信号源将是适合于c r t 使用的信号，在l e d 显示屏 幕上看到的将是开始明度变化较快，随后减慢，很不均匀。显示图像照片时，在普通器 件上非常逼真自然，但在l e d 屏上灰度失真严重，使图像的层次感欠佳，很不自然。人 眼不能适应，所以必须进行为校正。 非线性 y 反校正方式与2 3 d 节的占空比实现方式原理大致一样，但是需要注意的是，并不 是线性的变化占空比。而是需要用图2 5 所示的红色曲线，将上方蓝色曲线校正为线性的 4 5 0 黑色曲线，符合l e d 显示特性。此时，占空比变化不根据等比数列方式变化，而是使 得占空比低的地方亮度比例缩小，占空比高的地方适当的亮度比例展宽，使得亮度曲线 更加贴近圆滑的下方红色曲线。如表2 5 所示，举例表示出非线性占空比下的校正。 2l e d 彩色显示技术研究 硕上论文 图2 5 非线性丫反校正 表2 5 占空比变化 等比例1 1 61 81 41 21248 占空比 1 f 线性2 3 23 3 26 3 21 2 3 22 4 3 21 538 r 与空比 2 5 本章小结 本章主要介绍了l e d 的显示原理以及色度学相关原理，根据各个显示器的不同， 介绍了显示器灰度级的实现方法，最后总结得出了校正方法，为之后的软硬件实现打下 理论基础。 1 4 硕士论文 基于a r m 的l e d 点阵显示控制技术研究 3 嵌入式l e d 显示控制系统设计 3 1 系统流程图 根据本文的需要，我们首先规划出本文的系统框图，如图3 1 所示： 图3 1 系统框图 3 2 嵌入式部分系统硬件设计 3 2 1 嵌入式系统设计概述 根据本文的需要，涉及到的硬件有n a n df l a s h 、串口、j t a g 接1 2 1 、l c d 控制 器接口。具体的结构图，如图3 2 所示： 图3 2 结构图 3 嵌入式l e d 娃示控制系统设计硕十论文 3 2 2s 3 c 2 4 1 0 器件相关控制器研究 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器是一款由s a m s u n g 半导体公司为手持设备等相关应用设计的， 低功耗，高集成度的微处理器。$ 3 c 2 4 1 0 a 采用2 7 2 脚f b g a 封装，包含一个a r m 9 2 0 t 内核，该内核实现了m m u 、a m b a 总线和h a r v a r d 高速缓存体系结构该结构具有独立 的1 6 k b 指令c a c