（电路与系统专业论文）全彩色LED显示屏控制系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 l e d 显示屏自问世以来，经历了飞速的发展，现今，全彩色l e d 显示屏已经成为了平 板显示器的一个重要产品本文回顾了l e d 显示屏的历史，分析了其在国内外的现状和未 来的发展趋势接着，本文叙述了全彩色l e d 显示屏的一般原理，就全彩色l e d 显示屏视 频信号的获取、灰度级的实现、刷新率、y 校正等方面作了详细的阐述，分析了以上各点的 实现方法及其对全彩色l e d 显示屏的影响和意义。本文重点探讨了l e d 场频，行信号串行 时钟、灰度级的实现之闻的联系和相互的约束关系，给出了必要的推导公式，由此还提出了 一套全彩色l e d 显示屏的实现方案，并就此方案的许多细节作了详细讨论，而后又分析了 上述方案下的硬件板结构及其主要功能。最后讨论了数据重组的实现方法，并给出了实验中 的一些重要时序图 关键字：全彩色l e dd v i 接口扫描方式数据组织灰度实现y 校正l v d s 传输 a b s t r a c t t h el e dp a n e ld i s p l a 甲h a sb e e nd e v e l o p i n gg r e a 坶s i n c ei tr , a l t l et ot h ew o r l d , a n dn o w t h ef u l l - c o l o rl e dp a n e ld i s p l a yh a sb e e n * h em a i nb r a n c h o f t h ep a n e ld i s p l a y i nt h i sa r t i c l e , w 鼠f i r s t l y , l o o kb a c k o i lt h el e dp a n e ld i s p l a y sh i s t o r ya n dl o o k sf o r w a r do ni t s 矗坤皿皂a f t e r i n t r o d u c i n gt h ec o n l m o l lp r i n c i p l eo f t h ef u l l - c o l o rl e dp a n e ld 却l a ys y s t e m , w cd i s c u s s s o m ep o i n t ss u c ha st h ew a yt og e t * h ev i d e od i g i 咖a n dt ow o r ko u tg r a y - g r a d e , * h e s i g n i f i c a n c eo f 7r e c t i f i c a t i o n , e t c i nt h ef o l l o w i n gp a n , w em a i n l yf u c n so i lt h er e l a t i o n s h i p a m o n gt h er e f u r b i s h i n gf i e q u e n c y , g r a y - g r a d ea n dd a t a - c l i cb e s i d e s ，s o m ei m p o r t a n t f o r m u l a sa r eo f f e r e d w h a f sm o s ti m p o r t a n ti st h a tw cp u tf o r w a r dap r o j e c o f t h ef u l l - o n l o r l e dp a n e ld i s p l a yc o n t r o ls y s t e m f i n a i l y , w et a l ks o m e t h i n ga b o u t * h e h a r d w a r eo f * h i s s y s t e m , a n dt h eo r g a 删o no f * h e d a t a k e y w o r d s ：f u l l - c o l o rl e dd v i i n t e r f a c eg r a y - g r a d e l v d s d a t a o r g a n i z a t i o n yr e c t i f i c a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所儆的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容摆一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盔圣连导师签名；日期：时歹7 第一章前言 1 1 行业背景玷1 第一章前言 l e d 显示屏是上世纪八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用 发光二极管构成的点阵模块或像素单元组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环 境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显 示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。 一、l e d 显示屏发展的简要回顾 发光二极管( l e d ) 是上世纪六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年代， 随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p o n 结形成技术的研究进展，发光= 极管在颜 色、亮度等性能上得以提高并迅速进入批量化和实用化进入八十年代后，l e d 在发光波 长范围和性能方面大大提高，并开始形成平板显示产品- - l e d 显示屏。 l e d 显示屏发展经历了三个阶段： ( 1 ) 1 9 9 0 年以前是l e d 显示屏的成长形成时期一方面，受l e d 材料器件的限制， l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开，另一方面，显示屏控制技术基本上是通讯控制方式， 客观上影响了显示效果。这一时期的l e d 显示屏在国外应用较广，国内很少，产品以红、 绿双基色为主。控制方式为通讯控制，灰度等级为单点4 级调灰，产品的成本比较高 ( 2 ) 1 9 9 0 - 1 9 9 5 年，这一阶段是l e d 显示屏迅速发展的时期。进入二十世纪九十年代， 全球信息产业高速增长，信息技术各个领域不断突破，l e d 显示屏在l e d 材料和控制技术 方面也不断出现新的成果蓝色l e d 晶片研制成功，全彩色l e d 显示屏进入市场；随着电 子计算机及微电子领域的技术发展，在显示屏控制技术领域出现了视频控制技术。显示屏灰 度等级能实现1 6 级灰度和6 4 级灰度，显示屏的动态显示效果大大提高。这一阶段，l e d 显示屏在我国发展非常迅速，从初期的几家企业、年产值几千万元发展到几十家企业、年产 值几亿元，产品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站，公路交通、商业广告、 邮电电信等诸多领域，特别是1 9 9 3 年证券股票业的发展更引发了l e d 显示屏市场的大幅增 长。l e d 显示屏在平板显示领域的主流产品局面基本形成，l e d 显示屏产业成为新兴的高 科技产业 ( 3 ) 1 9 9 5 年以来，l e d 显示屏的发展进入一个总体稳步提高、产业格局调整完善的时 东南大学硕士学位论文 期1 9 9 5 年以来，l e d 显示屏产业内部竞争加剧。形成7 许多中小企业。产品赞格大幅回 落，应用领域更为广阔，产品在质量，标准化等方面出现了一系列新的问题，有关部门对 l e d 显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前这方面的工作正在逐步深化 二、我国l e d 显示屏的发展现状 ( 1 ) 产业发展初具规模 我国的l e d 显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业 据不完全统计，至1 9 9 8 年底，年度销售总额在1 0 0 0 万元以上的企业有2 0 多家，其销售总 额达6 亿元左右，占行业市场总额的8 5 以上全国从事l e d 显示屏的各类企业有1 0 0 余 家，从业人员近6 0 0 0 人，行业年度销售总额近8 亿元人民币，1 9 9 6 年、1 9 9 7 年的增长速度 均保持4 6 左右，1 9 9 8 年略有回落。在国内市场上，国产l e d 显示屏的市场占有率近1 0 0 ， 国外同类产品基本没有市场 ( 2 ) 技术水平相对领先 我国l e d 显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水 平。上世纪9 0 年代初即具各了成熟的1 6 级灰度控制技术及无线遥控等国际先进水平的技术， 近年在全彩色l e d 显示屏、2 5 6 级灰度视频控制技术等方面均有达到国际水平的技术和产 品出现；l e d 显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。l e d 显示屏产业培养了一批l e d 显示屏科技队伍，在全国l e d 显示屏行业的从业人数6 0 0 0 人 中，科技人员有2 8 0 0 多人，将近5 0 l e d 显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组 成部分。 ( 3 ) 应用领域广泛。 l e d 显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括： ( i ) 证券交易、金融信息显示。这领域的l e d 显示屏需求占到了前几年国内l e d 显示屏总需求量的5 自以上，目前仍为l e d 显示屏的主要需求行业上海证券交易所、深 圳证券交易所及全因上万家证券、金融营业机构广泛使用了l e d 显示屏 ( ) 机场航班动态信息显示。民航机场建设对信息显示的要求非常明确，l e d 显示屏 是航班信息显示系统f i d s ( f l i g h ti i l 蠡o r m a t i o nd 卸h ys y s t e ) 的首选产品，首都机场、上海浦 东国际机场、海口美兰机场，珠海机场、厦门高崎机场、深圳黄田机场、广州白云机场及全 国数十家新建和改扩建机场都选用了国产的l e d 显示屏产品。 ( 1 i d 港口、车站旅客引导信息显示以l e d 显示屏为主体的信息系统如广播系统、 列车到发提示系统、票务信息系统等共同构成客运枢纽的自动化系统，北京站，北京西站、 2 第一章前言 南昌站、大连港等国内重要火车站和港口都安装了国内厂家提供的产品 ( ) 体育场馆信息显示。l e d 显示屏己取代了传统的灯泡及c r t 显示屏，四十三届 世乒赛主场地天津体育中心首次采用了国产彩色视频l e d 显示屏，受到普遍好评，上海体 育中心、大连体育场等许多国内重要体育场馆相继采用了l e d 显示屏作为信息显示的主要 手段 ( v ) 道路交通信息显示。智能交通系统( 苫) 的兴起，在城市交通，高速公路等领 域。l e d 显示屏作为可交情报板、限速标志等，替代国外同类产品，得到普遍采用 ( ) 调度指挥中心信息显示电力调度、车辆动态跟踪、车辆调度管理等，也在逐步 采用高密度的l e d 显示屏 ( ) 邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示遍布全国的服 务领域均有国产l e d 显示屏在信息显示方面发挥作用。 ( v i a ) 广告媒体新产品。除单一大型户内、户外显示屏做为广告媒体外，盟内一些城 市出现了榘群l e d 显示屏广告系统；列车l e d 显示屏广告发布系统已在全国许多旅客列车 上得到采用并正在大范围推广 ( 4 ) 行业发展正在逐步规范 1 9 9 5 年以前，l e d 显示屏的生产无行业规范。1 9 9 6 年原电子部委托蓝通公司制定( l e d 显示屏通用规范，1 9 9 8 年1 月正式作为电子行业标准发布实施，使l e d 显示屏产业标准 化工作开始走向规范。1 9 9 9 年初，中国光协光电器件分会加强了l e d 显示屏行业的管理和 业务，在引导规范行业发展、开展光电器件与l e d 显示屏产品技术及检测标准交流协调等 方面积极开展工作随着产品标准体系的形成和一系列标准的实施，l e d 显示屏产业币在 向健康有序的方向发展。 ， 三、l e d 显示屏的发展趋势 现代信息社会中，作为人机视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，二十一世纪 将是平板显示的时代，l e d 显示屏作为平板显示的主要产品之一无疑会有更大的发展，并 有可能成为二十一世纪大屏幕平扳显示的代表性主流产品。 ( 1 ) 高亮度、全彩化 蓝色及纯绿色l e d 产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。 基础材料的产业化。使l e d 全彩色显示产品成本下降应用加快以全彩色户外啦6 显示 屏为倒，1 9 9 6 年的产品市场价格每平方米在1 2 万元左右，1 9 9 9 年已降至7 碣万人民币，m 2 ， l e d 产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完 3 东南大学硬士学位论文 全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计 在未来几年的发展中，全彩色l e d 显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、 霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色l e d 屏更会成为主流产品。全彩色l e d 显示屏的广泛应用会是l e d 显示屏产业发展的一个新的增长点、， ( 2 ) 标准化、规范化 材料、技术的成熟及市场价格的基本均衡之后，l e d 显示屏的标准化和规范化将成为 l e d 显示屏发展的一个新趋势综观近几年业内的发展，市场竞争在传统产品条件下是以 价格作为主要的竞争手段，几番价格回落调整达到基本均衡，产品质量，系统的可靠性等将 成为主要的竞争因素，这就对l e d 显示屏的标准化和规范化有了较高要求，业内一些骨干 企业已开始实施i s 0 9 0 0 0 系列标准行业规范和标准体系的形成，对产品的检测有了相对 统一的认识和评判依据，生产条件差、技术性不强、售后服务体系不完善的企业将受到市场 的淘汰，预计今后几年内一批小规模l e d 显示屏厂商会逐步淡出，行业的发展趋于有序 ( 3 ) 产品结构多样化 信息化社会的形成，信息领域愈加广泛。l e d 显示屏的应用前景更为广阔预计大型或 超大型l e d 显示屏的主流产品局面将会发生改变，适合于服务行业特点和专业性要求的小 型l e d 显示屏会有较大提高，面向信息服务领域的l e d 显示屏的产品门类和品种体系将更 加丰富，部分潜在市场需求和应用领域将会有所突破，如公共交通、停车场、餐饮、医院等 综合服务方面的信息显示屏需求量将有更大的提高，大批量、小型化的标准系统l e d 显示 屏在l e d 显示屏市场总量中将会占有多数份额。 1 2 课题背景 本实验室长期致力于l e d 显示屏的研发与生产，具有雄厚的技术力量和丰富的实践经 验。在异步单双色屏、双基色多灰度同步屏、双基色多灰度异步屏等各类室内外显示屏的软 硬件上都处于国内领先水平作为今后显示屏的主要发展方向，全彩色l e d 显示屏也必将 成为本实验室的主要产品 1 3 论文工作 本课题重点在于研究全彩色l e d 显示屏的显示技术，并开发出可实际应用的全彩色l e d 显示屏控制系统。课题主要任务如下： 4 第一章前言 1 ) 、参阅大量国内外显示屏技术资料，针对现有条件提出一神切实可行的全彩色l e d 显示屏控制系统的实现方案 2 ) 、完成控制系统中d v i 控制单元、显示控制单元及数据分配单元的硬件设计及调试工 作 3 ) 、完成系统中所有可编程逻辑器件的编程、仿真及调试工作 4 ) 、针对l e d 与c r t 发光特性的区别，分析进行y 校正的必要性，并分别对三种颜色 进行y 校正 5 东南大学硕士学位论文 第二章全彩色l i e d 显示屏基本工作原理 2 1 视频数据的获取 全彩色u m 显示屏的目的就是要造出个巨型的彩色显示器，能够播放绚丽多彩的节 目而显示屏的图像质量不仅仅取决于其本身的制作水平，还取决于节目源的质量l e d 显示屏对视频信号的获取主要有两种方法 方法一是直接接收电视信号，然后通过专用的l e d 显示屏信号处理机，把隔行扫描的 电视信号，经过处理转变为逐行扫描信号，再于l e d 显示屏上播放。高性能处理机能处理 的数据位高达1 0 位以上，在做扫描变换时还要进行插补运算，运动预测和孙偿以及扫描变 换等。现在高档l e d 显示屏也都采用这种方法，并进行更多的信号处理，力图把图像质量 提升到广播级，当然效果也更好计算机视频也要经过这个处理机处理，然后送到l e d 显 示屏显示。处理技术还在不断地发展，已有许多新的算法被提出。世人熟悉的大尺寸背投影 电视和等离子大屏幕电视都广泛地使用这种方法，效果比普通电视要好得多。在这种情况下， 输出信号通常是按变换后的信号格式来描述的，显得更加确切。南京湖南路的l e d 显示屏 就是把隔行的电视信号进行奇偶场插补，变为5 0h z 逐行扫描信号，然后送给l e d 屏显示 的。计算机的视频信号也是先转换为p a l 电视信号的，不过它的插补等处理并不先进， v g a p a l 的转换也带来损失和噪音，所以在有些画面上会看到抖动等现象 另一种方法是多媒体方法，逶常称为同步屏方法，该方法用普通的多媒体卡捕获电视信 号，并进行解调、滤波和音色分离等。视频信号经a d 变换后，进行m p e g 编码压缩，以 便存储。搔放时再进行解压缩，直接在计算机监视器上观看。送往l e d 屏的信号通过专用 的接口卡从计算机的d v i 接e l 或显卡上获得，接口卡上还要进行一些处理。这时，l e d 屏 实际上相当于计算机的监视器或其上的一部分，通常称为窗口，可以实现一一对应的“同步 显示”由于计算机监视器是逐行扫描的，所以如果没有对该送显信号进行抽帧抽行处理， 那么，l e d 屏的显示格式就是监视器的格式。倒如，v g a 格式就是象素数为6 4 0 x 4 8 0 的 逐行扫描格式，其帧频为7 5 k 但是这里的7 5 k 逐行扫描信号，并不是视频源本身的提 升，图像的质量并没有提高实际上比5 0h z 隔行扫描的水平还要差些，类似于d v d 或v c d 的效果，这就是常常被混淆的地方至于有的屏进行了抽帧，例如把偶数帧信息合弃掉只把 奇数帧信息送去显示，效果当然更差 本课题采用后一种方法，且暂不考虑播放电视节目，也就是说将l e d 显示屏作为p c 杌 6 第二章l e d 显示屏基本原理 的一个监视器来看待，从显卡的d v i 接口获取数据后，迸过适当数据变换，再发送到l e d 显示屏上显示 2 2 从p c 机的显卡获取视频信号的方法悖卯 前面第一节讲过，全彩色l e d 显示屏视频信息的获取主要有两个途径，直接接收电视 节目和同步屏方法本课题采用同步屏的方法，即从p c 机的显卡上获取视频信息，将全彩 色l e d 视为p c 机的一个显示器这种方法相对比较容易实现，且成本要低 从p c 机的显卡获取视频信息主要有两种途径：从显卡的特征头获取数字信息的方法和 现在比较流行的直接从显卡的数字显示接口( d 接口) 获取 v g a 显示器及显卡的接口都采用模拟的方法来处理色彩，因此它们都具有丰富的色彩 显示和传输能力，但这些信号却不能直接为l e d 屏所用图9 是v g a 的数据转换器的原 理框图。 8 位索引地址 。o 硅 f 瀑 颜色查技袭 图9 ，v g a 的数据转换原理 一 由图中可知，d a c 由颜色查找表( l u t ) 和数模转换电路组成，其作用是把数字信号转 换成模拟信号送给模拟显示器。从v g a 卡上无法直接获取数字信号，但v g a 卡上有个“特 征头”( f e a m mc o n n e c t ) 的接口，它提供了颜色查找表的地址，及行同步、场同步、消隐、 点时钟等信号。有了这些信号，只要能复制v g a 显卡上的颜色查找表就可以获得数字视频 信号，由于c p u 对v g a 颜色差找表的操作是总线方式实现的，因此对颜色查找表进行读 写操作时，总线上的设备是可以检测到的，这样就可以设计一个。同步卡”来复制颜色查找 表中韵数字视频信号 7 一 东南大学硕士学位论文 用上述方法的缺陷是：设计复杂。需专门设计一块同步卡，这样也就加大了成本投入 现在的全彩屏设计中已经基本淘汰了这种方法，而采用直接从显卡的d v i 接口获取数字视 频信号 d v i 接口是1 9 9 4 年新推出的一种接口标准，它利用t m d s 规范的差分信号传输数据， 具有较好的抗干扰能力和有效的传输距离。这种接口把数字图像信号转化为3 路串行的差分 数据，外加1 路高速差分时钟通过专用的d v i 接收芯片，可以把数字差分信号接收下来， 解码恢复成为2 8 位的并行数据，其中包括2 4 b i t 的并行显示数据r 0 - - r 7 ，g 舢g 7 ，b 0 - b 7 、以 及点时钟c l k ，行同步h s y n c ，场同步v s y n c 和行数据使能d e ，如图l o 所示 差分传输输出 厂l 1 广- 弋 熬铄翅迸l 一i t - - - - - d v i 数妊姐进2 一m 慧- - 接口 d y i 接口芯片 卜 数攮i 翘避3 一 y k “o ：7 j j y 。、 图1 0 ，d 结构框图 2 3l e d 特性及一些重要参数”， l e d 显示屏的发光材料为发光二茁管，而发光二萝管的正向伏安特性与普通二极管大 致相同，电压的开启点以前无电流，电压一旦超过开启点便显示出导通特性，这时正向电流 l 与正向电压u 的关系式如下： m 卜白一- u r = k t q ( 式1 ) ( 式2 ) 式中m 为复合因子，厶为反向饱和电流，坼称为温度电压当量，t 为绝对温度( 又 称开尔文温度) ，q 为电子电量，k 为波尔兹曼常数；在温度t = 3 0 0 k ( 室温2 7 2 ) 时， 3 第二章l e d 显示屏基本原理 坼* 2 6 m f 在宽禁带半导体中，当i 0 1m v 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m - - 2 ；电流增大后扩散电流占优势时，m - 1 u 为外加电压。 l e d 正向伏安特性图如下； 吝 正弼毫压 图1 ，l e d 伏安特性图 由图1 可以看出，l e d 从导通到安全最大电流为止，其伏案特性近似呈线性也就是 说，在此区域内，l e d 的发光强度近似正比于它的电流强度，控制电流就可以控制发光二 节管的亮度 描述l e d 的参数较多，下面列出与l e d 屏有关的几个主要参数： 极限功耗五，l e d 正向偏置时的最大允许功耗，与环境温度有关 最高反向电压圪，l e d 一般为4 5 v 正向工作电流如，长期稳定工作时的静态直流电流，一般为最大工作电流的6 0 正向工作电压，一般l ，5 q o v 左右 反向漏电流，反向偏置时的漏电流。 导遁时问乙，脉冲驱动时，从脉冲上升沿到发光强度稳定值的9 0 所需的时间。 截至时问，在脉冲驱动方式时，从脉冲下降沿到发光强度下降为发光强度稳定值 的1 0 0 , 6 所需的时间。多行扫描，多b i t 校正时，l e d 的驱动脉冲可能比较小，这时就要考虑 所用l e d 管的时间参数。 法线发光强度，沿l i d 法线，也称光轴方向的发光强度，单位m c d 。 发光峰值波长冬，l e d 发出的光集中在一个窄波段内，不同波长所发出的光强不同， 墨缸繁重暖澍 东南大学硕士学位论文 其中发光最大处所对应的波长就是峰值波长 光谱半宽度从，l e d 不同波长的发光强度围绕峰值波长强度逐渐降低，其发光强度 为最大峰值波长强度的1 1 2 处的两个波长的差值就称为光谱半宽度这个参数说明了l e d 发光颜色的纯度。纯度越高，图像颜色越好。 口 半值角q n ，l e d 一般沿其光轴方向的发光强度最大轴线两侧随偏离轴线角度增加逐 渐减小，当发光强度下降为轴线强度的l ，2 时，这个角度称为半值角。或半功率角，或视角 这个参数决定了l e d 屏的光辐射区域。 2 4 灰度实现1 2 ， 一般来讲，l e d 亮度的控制通常有两种方法：电流控制法和导通时问控制法 电流控制法，是通过调节l e d 的正自电流得到对亮度的控制如把l e d 的正向导通 电流按一定的步长调节，其发光亮度就可以分为着干个灰度级但这种方式所需的驱动电路 太复杂，可控性小，在实际应用中并不可行 导通时问控制法，是指l e d 管采用恒流驱动。通过控制单位时间内l e d 的导通时问 来实现灰度级l e d 具有快速时间响应特性，最高可达数十兆赫兹。可以用脉冲方式驱动 l e d 发光例如用l l v l h z ，占空比为2 5 ，峰值电流为1 a 的脉冲去驱动l e d ，与用2 5 m a 的直流驱动。其发光亮度是一致的显然，调节驱动脉冲的占空比，可获得不同的灰度级 由此可知，如果用c r t 图像各像素点的离散图像数据去控制对应l e d 的导通时间，即可获 得多灰度级显示图像。 现在书场上的l e d 控制系统一般都是采用脉冲电流来控制l e d 韵发光强度，本课题 也才用了该方法，下文会对此方法作详细论述。 2 5 l e d 驱动电路“， l e d 显示屏驱动电路的设计需与所用控制系统相配合。通常分为静态锁存型驱动及动 态扫描型驱动二大类 一锁存型 锁存型是指显示屏上的每个l e d 都对应一个驱动电路，与扫描型不同的是，此处的驱 动寄存嚣无需分时工作，每个l e d 的亮度占空比接近1 0 0 * 。锁存型驱动如采用常规型的设 l o 第二章l e d 显示屏基本原理 计方法，则所用元件较多，成本较高，如采用专用型i c 设计，其成本将大幅度降低。现在 很多的室外l e d 显示屏都采用锁存型驱动 臼扫描型 扫描型是指显示屏中的n 行发光二节管共用一组驱动寄存器，通过行驱动管的分时工 作，使得每行l e d 的点亮时间占总时间的l ，n 。只要扫描频率大于一定值，利用人眼的视觉 惰性，人们就可以看到一幅完整的画面了。此驱动的优点是，节省了元器件及成本，但却牺 牲l e d 的亮度。本课题采用的是扫描型驱动下面对扫描型驱动做详细介绍。 l e d 发光管一般排成阵列结构，如图2 所示。习惯上把横向称为行，纵向称为列 图2 ，l e d 驱动电路 如图中所示，n 行l e d 共用一列数据，称其为l ，n 扫描方式，或称i ：n 扫描。n 的取 值通常为4 、8 、1 6 等等。工作时，首先利用行信号串行时钟e l k 将第一行要显示的数据逐 行移入7 4 h c 5 9 5 中，当整行数据全部移入后，产生的数据锁存信号s t r 将数据由7 4 h c 5 9 5 后台移入前台锁存，同时对锁存信号s t r 进行计数译码产生第一行有效信号，使第一行的 p n p 管导遁，即第一行的l e d 正端全都接为高电平，由于在7 4 h c 5 9 5 中锁存数据将使对应 的列驱动管8 0 5 0 导通或截止，所以第一行l e d 的亮暗将由移入的数据决定；在第一行l e d 管有效期间，移位时钟移入第二行要显示的数据，全部移入后，进行数据锁存并由计数译码 电路产生第二行有效信号，显示第二行数据；如此往复。当移位时钟足够快使整屏的刷新率 大于某一值的时候，就可以显示一幅完整的图像了 东南大学硕士学位论文 2 6 刷新率m 1 盱， 由前面章节可知，l e d 显示屏的发光二节管并不是一直点亮的。而是利用了人眼的视 觉惰性，由脉冲电流驱动点亮，灰度和亮度是通过脉冲宽度调制实现的但是当脉冲频率不 够快时，人眼就能感觉到闪烁。那么，到底要多快的速度才能够消除闪烁昵? 此处，引入费 里墩特律的概念。 在1 8 世纪，有人发现了视觉图像的暂留现象。当时把一块炽热的燃料绑在带子的一端， 在黑碴中加速转圈，当达到一定转速时，光点就变成连续的光圈。如果用电筒来试，也能达 到同样的结果。若要计算视觉图像暂留时间，只要知道看到光圈时转动速度就行。这样，一 个间歇频率较低的光刺激作用于眼睛对，就会产生一亮一喑的闪烁感觉，随着光刺激闻歇频 率逐渐增大，闪烁现象就会消失。先由粗闪变成细闪，当每分钟闪光的次数增加到一定程度 时，人眼就不再感到是闪光而感到是一个完全稳定的或连续的光这一现象称闪光的融合 ( f l i c k e rf u s i o n ) 闪烁刚刚达到融合时的光刺激间歇的频率称为闪光临界融合频率( c r i t i c a l n i c k e rf r e q u e z y ，简称c f f ) 闪光临界融合频率是人眼对光刺激时间分辨能力的指标，是 物理刺激与生理心理机能相互作用的结果，是受刺激的时空因素以及机体状态制约的感觉过 程不同人的c f f 的差异相当大，但般人的临界频率为3 0 5 5 赫兹，这个数据也说明不 同人的差异可达一倍左右 闪光临界融合频率随光相强度的增高而增高闪光在时间和强度上可分为二相，一为 暗相，一为光相。假如路钼强度为零，则闪光橘界融合颏率和光相强度的对致成正比，其数 学式为： ”= a l g i + b ( 式3 ) n ：闪光临界融合频率 h 光楣的强度 a ，b ：参数 此式称为费里- 波特律( f e r r y p o r t e rl a w ) 此律和费希纳定律在形式上有相同之处， 这种相似性表明闪光临界融合频率也是一种强度关系，但也只适合于中等强度，当光相的强 度太大或太小，此公式就不适用了闪光临界融合频率在低光强度时，可低至5 1 - i z ；在高强 度时，可高至5 0 5 5 h z 刺激面积也会影响闪光临界频率小面积的闪光临界融合频率比大面积的闪光临界融 第二章l e d 显示屏基本原理 合频率来褥低。闪光临界融合频率随闪光照射的区域面积的增大而增大和上述随强度的增 加而提高一样，二者也是有同样的对数关系： n - - c i g a + d ( 式4 ) a ：面积 c ，d ：参数 大面积具有较高的闪光临界融合频率，这一事实也是空间累积的进一步证明空间累 积的效果可以用这样一个方法来表明：用四个小点同时闪亮，测定融合频率，然后再测定一 个点闪光时的融合频率。四点比一点的闪光临界融合频率要高，这是由于四个小点同时闪亮 增大了刺激面积。 另外，在视网膜中，杆体细胞和锥体细胞的闪光临界融合频率是不同的总的说来， 当刺激区域小时，闪光临界融合频率在中央要比边缘高，这表明锥状细胞比杆状细胞有较高 的空间视觉敏度一些附加刺激的作用，如声音、味觉、嗅觉等刺激都可以改变内光临界融 合频率一些材料表明，年龄、疲劳，缺氧等因素都影响到内光临界融合频率。 显然，设计平板显示嚣必须确定其c c f ，并以此为依据。确定显示器的刷新颓率。有 的l e d 显示屏的发光亮度高达6 0 0 0 c d m 2 ，显示面积达上百平方米，在人跟视网膜上的 影像范围也较大；对处于运动中的户外屏来说。阿烁问题更加突出；此外，l e d 屏的工作 环境差异较大，有必要进行研究，以决定l e d 屏在特定工作条件下的c c f 2 7 y 校正邸 现阶段还没有专门用于l e d 显示屏的图像源和标准一觳都是把送给c r t 的图像数 据用来给l e d 显示为了适合c t r 显示，这些数据都事先进行了预校正，即通常所说的y 校正，所以，这些数据还不能直接为l e d 屏所用。下面就c t r 与l e d 的显示特性进行讨 论 在电视系统传输信号的过程中。如果要获得逼真的图像质量，就要求从摄像到显像全 过程的总传输特性是线性的，即显像亮度与景物亮度成正比。然而c r t 特性的线性较差， c r t 显像管的荧光粉发光亮度并不与控制信号电压的成正比关系，而是与它的y 次方成正 比，y 一般取为2 2 2 8 c r t 的显示特性如图3 所示 东南大学硬士学位论文 b 图3 ，c r t 的显示特性 为了克服在低亮度( 灰度级) 段图像偏赌的缺点，大多数图像发送系统均采用预补偿办 法，即通常所说的y 校正按占= e 1 7 7 的关系对发送的图像信号进行预校正，校正曲线如 图4 图4 ，y 校正曲线 这样，电视接收系统所显示的图像是b = e 7 和曰；e “7 的叠加。实现了图像信号与 图像亮度问的线性变换，消除了低灰度级图像偏暗的缺点。 l e d 显示系统的亮度与电流脉冲宽度占空比t 之间的关系是线性的，即图像亮度正比 于图像的输入信号，如图5 所示。 1 4 第二章l e d 显示屏基本原理 r 图5 ，l e d 显示特性 由上文可知，如果直接把送给c r t 的数据拿来给l e d 用，就会出现低亮度段的亮度跳 变太快，使图像的层次感欠佳。为了使l e d 显示高质量的图像，就必须对输入信号进行反 y 校正。图6 是以口= t 7 作的曲线 图6 ，反y 校正曲线 另外。不同的外界环境也会影响l e d 显示屏的显示效果，所以，要获得更佳的显示效 果。y 值需根据具体环境而有所变化。 东南大学硕士学位论文 第三章总体方案论证 3 1 屏体大小及屏体结构 本课题拟实现一个最大分辨率为6 4 0 x 5 1 2 的全彩色l e d 显示系统，能实现4 0 9 6 级灰 度，灰度均匀，不闪烁系统结构如图7 所示 图7 ，系统总体结构 如图7 所示，l e d 显示屏后面的控制板要控制整个屏的显示，控制板与l e d 屏体闻的 通讯是用排线来实现的，而用排线通讯时其长度是有限制的，这样控制板在屏后的布局也必 须考虑 分辨率为6 4 0 5 1 2 显示屏屏体可达6 4 m 4 s m ( 按妒1 0 的l e d 管计算，不计算外围框 架) ，如果只使用一套控制板，在上述结构的基础上是难以实现的，一来控制板内部的数据 处理量太大；二来若用一套控制板，传输用的捧线长度太长。兼顾各方面的约束限制，权衡 后定出如下布局方案，如图8 所示 e = = = = = = = = = = = = = 垒皇曼= = = = = = = = = = 锄 圈8 ，控制板拓扑图 1 6 罄篙噬a叠1 第三章总体方案论证 如图所示，整个显示屏分由四套控制系统控制，每个控制板负责3 2 0 2 5 6 个像素，各 块控制板之间用l v d s 连接( 此处的l v d s 采用m u l p f i d r o p 模式) 这样，控制板与分配板 之间的排线长度可以控制在0 3 米( 因为控制板与分配板问的数据通讯要比分配板与屏体问 的数据通讯快很多，所以控制板与分配板间的排线距离更短) ，分配板与屏体问的排线长度 可控制在0 9 米，试验证明，分配板与屏体间的摊线为1 2 米的时候，通讯依然稳定 当然，以上方案也综合考虑了行信号串行时钟、刷新率、存储容量等诸多因素，下文会 就此作详细介绍 3 2 l e d 的场频n ， 前面讲刷新率的时候讲到，l e d 显示屏是利用人眼的视觉惰性来显示图像的，当l e d 屏的刷新率( 郾场频) 大于l e d 屏的c c f 时。人们就可以看到一幅完整的图像下式表示 了l e d 的场频与d v i 输出的场颓之间的关系： 乃：每一场的扫描时间 ( 式5 ) 昂h ：d v i 输出的场频 n ：每一场对于l e d 屏要扫描的次数 f d w 的选择和显卡d 输出有关一般可以选6 0 、7 0 、7 2 、7 5 、8 5 1 0 0 等等，b 的 大小会影响到d 接口板到下级扫描板的数据传输速率。一般来说，昂w 越小，数据传输率 越低。对系统设计越有利。此处，要引入换帧频率的概念，所谓换帧频率就是一秒钟内图像 变化了多少次。在电影和电视中。一帧就是一幅完整的画面，帧频描述的是连续画面的播放 速度。人的视觉暂留时问大约是1 5 l 3 0 秒，所以电影以“的帧频，p a l 制电视以2 5 的帧频， n t s c 制电视以3 0 的帧频都能得到动作连续的感觉。前面已经讨论了刷新频率，显然，在刷 新频率满足无闪烁的要求时，换帧频率的高低对于图像是否发生闪烁没有影响。所以上述的 昂玎选择都不会影响到动作的连续。应该说在昂h 的选择上，值越小越好 式中的f d 圩即可理解为l e d 显示屏的场频，其矗接影响显示屏的实际显示效果。一 1 7 一 频肠 = d上m = 妨 弓 兄 东南大学硕士学位论文 般的单色屏的场频达到8 5 h z ，就不会感到闪烁；面全彩屏因为其亮度商、显示面积大，在 场频为8 5 时仍然闪烁，所以在这里可以取昂h = 6 0 ，n - - - 2 ，即d v i 的输出场频为6 0 h z ， 每场图象扫描两遗。当l e d 显示屏的亮度比较低的时候( 一般为室内屏，大概6 0 0 f d m 2 左 右) ，感觉不到闪烁 图9 ，l e d 驱动示意图 如图中，在为高电平的时候l e d 导通发光这样只要控制的占空比就可以得到 l e d 的不同亮度为了方便实现，把显示时闯按权重分配，比如要实现4 0 9 6 ( = 2 “) 级灰 度，就可把显示时间分为1 2 个权重，然后把显示数据进行位分离，再根据不同权重分不同 时间来点亮l e d 发光管。所有的权重可以表示为下式： k l = 【1 , 2 ，4 ，8 ，1 0 2 4 ，2 0 4 9 推广到一般，有下式 墨= 【1 幺4 8 ，2 r - 2 ，2 “】 ( 式6 ) 把最窄的显示时问设为，而对于每帧图像。l e d 显示屏都要将各级灰度扫描一遗， 所有权重扫描完的总时间设为0 ，可以得到如下关系式： 第三章总体方案论证 即， t 口= ( 1 + 2 + 2 2 + + 2 州弦面= ( 2 ”一1 ) f 血 ( 式7 ) n ：灰度级的2 的幂次 联系到第二节的内容，为了保证l e d 屏的刷新率，则要求0 小于或等于式5 中的巧， 0 0 可得， ( 2 ”一丽1 k 南 ( 式8 ) ( 式9 ) 这样，只要给定l e d 显示屏的届q 新率和待实现的灰度级就可以求得最短扫描时问临界 值。下面列出了不同情况下的f m 值的变化情况。 灰度级( 2 8 )刷新率( 蜀h ) h zt i ( 筒) 2 5 6 8 04 9 2 5 61 2 03 3 1 0 2 48 01 2 1 0 2 41 2 0 8 1 4 0 9 6 8 03 1 4 0 9 6 1 2 02 o 由表格可以看出t 当灰度级加大、刷新率增加的时候，血值已经非常小了，在实际操 作的时候比较难以实现。这里，弓l 入场数据读取时间的概念来说明这个问题，其实行信号串 行时钟也会限制f 血的取值，这方面内容下节会另作讨论。 l e d 显示屏的数据并不是直接从d v i 接口取来就用，而是经过了多级缓存和变换因 此，显示时，必须把数据从缓存中读出，可以把一个子场全部数据的读取时间设为，。， 显然，t m 不能比f 胁还小而f 自。本身是有限制的 设l e d 显示屏的宽为w ，高为h ，那么l e d 显示屏的总像素数为w h ；设缓存r a m 的数据总线带宽为d ，r a m 钓读周j 9 为瓦删，则读取一个子场全部数据的对阊可用下 式表示： ；3 。w h c 翮。d h i 洲 ( 式1 0 ) 式中的系数3 表示三种基色，以下类同。如果l e d 屏的大小为3 2 0 x 2 5 6 ，r 腿为3 2 位 数据总线，读周期为2 0 n s ，那么，计算出来的f m 。为1 5 3 6 z s ，与上面得出的，硇值相比， 。要远大于曲，所以上述扫描方法在实际情况下是难以实现的，这样就要提出新的扫 描方i 老采买现灰厦级 首先，给出“消隐一的概念所谓。消隐”，就是指l e d 管处于关闭状态，一般通过控 制行选芯片的使能端来实现。可以控制“消隐”信号，让l e d 管在某个显示周期内只有部 分的时间在工作，从而控制l e d 管的亮度，以达到实现灰度级的目的不过这是以牺牲点 亮效率为代价的。 选择一个合适的r _ ( 当然，此处的f _ f ) 来对应一个合适的权重值，把此权重 看作l ，比此值小的权重习惯性叫做圭( 扫描子场所耗时间为f 。，“消隐”时间为三) 、三 ( 扫描子场所耗时间为f 岫，“滂隐”时问为云k 吉扫描子场所耗时间为7 血“消隐” 时问为吾) 依此类推；这样，就可以得到另一种扫描方式( 依然以4 0 9 6 级灰度为例，) ： k ：占，去，去，去，占，昙， ，去，1 ，2 ，4 8 】 ( 式1 1 ) k z2 呸菇，丽，丽瓦话i i j j # ，珥声j 。、 推广到一般的公式，可得： k ( 力= 垦羔! ! ；掣o = o ，1 z ，行一n ( 式。：) 此时，可以按如下方式推算所有权重扫描完的总时间f ， o = k + ( 2 4 4 一1 ) 】 ( 式1 3 ) 根据式8 又有， 2 0 ( 式1 4 ) 赤 s l 茸 f 嚼丑 l j肛 、p + ， k 得 第三章总体方案论证 。s 瓦万布1 砸；司 可以取x 可，算锝不同情况下的f 血如下表： ( 式1 5 ) 灰度级( 2 4 ) 刷新率( f d n n ) h z，血s ( 声) 1 0 2 48 0 8 9 2 9 1 0 2 4 1 2 05 9 5 2 4 0 9 68 03 2 8 - 9 4 0 9 61 2 02 1 9 3 从表中明显可以看出，此时的t m 已经充分大于 ，能够在实际的工作中实