LED电子显示屏真彩显示的几种关键分享(20210328204901)

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，具有较

2、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1 Ocd/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，可以达到几十甚至几百平方M以上，应

3、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

4、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、

5、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

6、、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，

7、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+MC1413）,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

8、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，fmax25MHz特别适用于多灰度 彩色显示屏的LED驱动。我国的无锡东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

9、数量较大，且256级灰度控制较麻烦。为此，美国TI公 司研制开发岀LED电子屏显示驱动专用集成电路TLC5901/5902/5903,这种 ASIC的优点是：恒流源输岀580mAV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；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

10、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 数据输岀的级连功能；16个数据输出端，每个端驱动LED电流可达80mA 以上，每个端数据输出耐压大于20V；数据输出256级灰度；输岀具有模 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

11、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

12、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 i2io该表达式可用可预置减法计数器实现，但 每一像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

13、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

14、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

15、打入并行锁存器，8位加1计数器输岀进位脉冲 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岀各像素的相邻权 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V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

16、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。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，用数字电路组合岀复杂控制逻 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

17、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 可编程技术的岀现，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

18、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 0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E2CM0S工艺，时钟频率 可以高 达180MHz,传输延时 为5ns,低功耗，电擦除，编程内容20年不丢失，100%参数测试，可以加密。器件内部有抗锁定”电路，以防止岀现 CMOS器件中可能产生的有害的锁定效应。其它有关问题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V日本）、光磊公司V台湾）、HP公司的产品质量上 佳。在驱动单元中应选用低功耗、长寿 命、工作范围宽、驱动电流大的功率 器件，美国