摘要：本文在分析LED 顯示屏的顯示掃描控制方法的基礎(chǔ)上， 提出了用并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高灰度掃描控制的方案， 設(shè)計(jì)了基于FPGA 的8 位并行輸入LED 掃描控制芯片， 并結(jié)合外圍電路、顯示面板及計(jì)算機(jī)構(gòu)成了LED 大屏幕顯示系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了LED顯示屏的256 級灰度顯示， 在簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的前提下取得了清晰穩(wěn)定的畫面顯示。

　　1 介紹

　　LED（light emitting diode）顯示屏由發(fā)光二極管陣列構(gòu)成。發(fā)光二極管（LED）是一種電流控制器件，具有亮度高、體積小、單色性好、響應(yīng)速度快、驅(qū)動簡單、壽命長等優(yōu)點(diǎn)， 能勝任各種場合實(shí)時(shí)性、多樣性、動態(tài)性的信息發(fā)布任務(wù)， 因此得到了廣泛的應(yīng)用。LED 大屏幕是通過一定的控制方式， 用于顯示文字、圖像、行情等各種信息以及電視、錄像信號， 并由LED 器件陣列組成的顯示屏幕。LED 大屏幕作為現(xiàn)代信息發(fā)布的重要媒體， 正受到社會各界尤其是商業(yè)界、廣告界的極大重視， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、商業(yè)、廣告、金融、體育比賽、模擬軍事演習(xí)、電子景觀等領(lǐng)域。

　　本論文介紹了一種8 位并行輸入LED 顯示驅(qū)動芯片， 在大屏幕LED 顯示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了從白到黑的多色彩的256 級灰度顯示， 畫面穩(wěn)定清晰， 取得了良好的視覺效果。

　　2 大屏幕LED 的系統(tǒng)構(gòu)成

　　考慮到LED 電氣特性以及機(jī)械安裝等實(shí)際應(yīng)用的要求， 無論是室內(nèi)LED 電子顯示系統(tǒng)或是室外LED電子顯示屏， 在結(jié)構(gòu)上都采用了標(biāo)準(zhǔn)單元塊的形式，即采用16×16、16×32、24×24 或32×32 個(gè)顯示象素?zé)艄軜?gòu)成一個(gè)單元塊。每一個(gè)單元塊形成自身獨(dú)立的電子掃描功能、控制功能、存儲功能， 并以此構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)； 然后， 再由各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源以及通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點(diǎn)陣LED 大屏幕電子顯示系統(tǒng)， 外加一定的計(jì)算機(jī)控制部件、帶有數(shù)字化分量輸出的多媒體卡或DVI 卡及電源記憶通訊驅(qū)動部件后就構(gòu)成了全點(diǎn)陣LED 大屏幕電子顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　其中的部分是LED 掃描控制芯片， 這個(gè)也是本文所要討論的重點(diǎn)。該芯片為8 位并行輸入的LED顯示驅(qū)動結(jié)構(gòu)， 可驅(qū)動16×8 的LED 屏體， 應(yīng)用在LED大屏幕上可以通過多片級聯(lián)來實(shí)現(xiàn)LED 大屏幕的顯示。

圖1 LED 大屏幕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　3 LED 掃描方法和控制芯片的研究

　　1、灰度掃描方法的研究

　　對高灰度級LED 大屏幕顯示而言， 灰度的分層（灰度掃描）方法是視頻控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 由于LED的發(fā)光亮度與掃描周期內(nèi)的發(fā)光時(shí)間近似成正比， 所以灰度等級的實(shí)現(xiàn)通常是由控制LED 的發(fā)光時(shí)間與掃描周期的比值， 即采用調(diào)制占空比來實(shí)現(xiàn)的。

　?。?）灰度掃描約束公式

　　設(shè)顯示灰度等級數(shù)為N, 由于灰度級為1 的像素在屏體的對應(yīng)點(diǎn)亮?xí)r間為td, 因而灰度線性調(diào)制后灰度級為i 的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為itd, 灰度級的數(shù)據(jù)顯示時(shí)間為（N 一l）×td.通常的考慮是在td 內(nèi)完成對存儲器一行數(shù)據(jù)的讀出， 同時(shí)以td 為周期將讀出的一行數(shù)據(jù)打人到屏體進(jìn)行灰度顯示。由于共有N 個(gè)灰度級數(shù)， 幀掃描周期為：

T=n×td ×m （1）

　　屏體顯示效率：η=(N 一l)×td ×m/T=(N 一l)/N(2)

　　設(shè)視頻數(shù)據(jù)輸人速率為VI, 存儲器讀出速率為Vo, 由于必須在td 內(nèi)完成存儲單元內(nèi)一行數(shù)據(jù)的讀出， 故有：Vo/Vi >=h/(td ×n) (3)

　　設(shè)λ為存儲器讀出與輸人速率的比值， 即λ=Vo/Vi, 將（l）式代人（3）式中， 有：λ>=h×N×m/(T×n) (4)

　　為保證圖像的穩(wěn)定顯示， 掃描幀頻必須足夠高，設(shè)F>=F0 （即T<=T0, T0=1/F0）， F0 為人眼可接受的掃描幀頻（F0>=60）， 代入（4） 式得：

λ>= h×N×m/(T0×n)（5)

　　代入（1）式得：td= T0/(N×m) (6)

　　式（5）和（6）即為灰度掃描約束公式。

　　（2）256 灰度級全屏掃描

　　對于256 灰度級全屏掃描， 高的灰度級數(shù)、高掃描幀頻與低的存儲器讀出速率是相互矛盾的。要獲得高的灰度級數(shù)， 就必須提高存儲器讀出速率， 或者降低幀掃描頻率， 當(dāng)灰度級數(shù)較高時(shí)， 以目前的集成電路實(shí)現(xiàn)水平難以達(dá)到三者的兼顧。解決的方法之一是大量采用并行結(jié)構(gòu)， 但掃描頻率每減小一倍成本就增加將近一倍， 而且電路的復(fù)雜程度也有所增加；另一種方法是適當(dāng)犧牲屏體顯示效率以求得幀頻與速率的折中， 這種方法經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證是可行的。

　　設(shè)計(jì)中考慮到幀頻與LED 屏體顯示效率的折中，采用λ=l, td=h/16, 即存儲器讀出速率等于數(shù)據(jù)輸人速率， 顯示基本時(shí)間單位為1/16 倍行周期?；叶葤呙柰ㄟ^對灰度數(shù)據(jù)按位分時(shí)顯示的方法實(shí)現(xiàn)， 即計(jì)算機(jī)屏幕圖像以每像素24bit 輸出（紅、綠、藍(lán)各8bit）時(shí)， 通過給每種顏色sbit 字節(jié)的不同位分配不同的顯示時(shí)間達(dá)到灰度顯示的目的。比如， 位（第8 位）對應(yīng)1/16 行顯示時(shí)間， 第7 位對應(yīng)1/8 行顯示時(shí)間， ?, 第2 位對應(yīng)4 行顯示時(shí)間， 位對應(yīng)8 行顯示時(shí)間。屏體數(shù)據(jù)更新時(shí)間以行周期為單位， 位對應(yīng)更新時(shí)間為1行時(shí)間， 其中顯示1/l6 行時(shí)間， 其余15/16 行時(shí)間里，由控制電路產(chǎn)生消隱信號進(jìn)行消隱， 其余位類同。

　　2、LED 掃描控制芯片

　　通過數(shù)據(jù)比較之后， 本論文采用了恒流源驅(qū)動方式， 設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)從白到黑的256 級灰度顯示的控制單元。該顯示控制芯片具有與時(shí)鐘同步的8 位并行輸入端口， 內(nèi)含16 個(gè)8 位的移位寄存器和16 個(gè)8 位的數(shù)據(jù)鎖存器， 可以對8 位并行數(shù)據(jù)進(jìn)行移位并鎖存。圖2 為該掃描和顯示控制芯片的電路圖。

圖2. 掃描和顯示控制芯片電路圖

　　當(dāng)電路開始工作時(shí)， 8 位并行數(shù)據(jù)在移位時(shí)鐘脈沖的作用下打入芯片的移位寄存器模塊中， 其內(nèi)部含有16 個(gè)移位寄存器， 故移位16 次后，數(shù)據(jù)將從該芯片的DOUT0~DOUT7 輸出到下一芯片； 同時(shí)將移位所得的16 個(gè)8 位數(shù)據(jù)輸入到鎖存器中鎖存。這時(shí)只要輸出控制信號為低， 并給出同名行的行選通信號同時(shí)使輸出開放， 各列即可開始輸出恒流， 同時(shí)8 位計(jì)數(shù)器開始對灰度級時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)， 當(dāng)計(jì)數(shù)值與該列所存儲的灰度值相等時(shí)， 該列的恒流輸出結(jié)束， 從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)LED 的顯示時(shí)間控制， 即占空比控制。若采用10 個(gè)該顯示控制單元級聯(lián)驅(qū)動LED 顯示屏， 則一直并行移位160 次就可完成行數(shù)據(jù)的傳輸。

　　運(yùn)用VerilogHDL 編寫代碼并用Modelsim 仿真軟件對該電路代碼進(jìn)行編譯仿真， 得出了如圖3、圖4 所示得時(shí)序圖。

圖3 灰度控制單元時(shí)序圖

圖4 亮度控制單元時(shí)序圖

　　通過時(shí)序圖我們可以看到在控制端：

　　enable、rsel、bc_ena、latch 等控制端的控制下， 可以按照不同的需求來實(shí)現(xiàn)對不同灰度和亮度的實(shí)現(xiàn)。在灰度控制單元中， 數(shù)據(jù)在經(jīng)過了16 個(gè)脈沖之后移位傳輸至輸出端輸出， 并且實(shí)現(xiàn)了8 列或者16 列輸出的可調(diào)； 在亮度控制單元中， 通過調(diào)整enable、bc_ena、latch 的值實(shí)現(xiàn)了輸出數(shù)據(jù)的可調(diào)， 從而準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了亮度的控制功能。

　　根據(jù)各部分同名行的全部傳輸時(shí)間等于該同名行的顯示時(shí)間， 可以得到行周期和點(diǎn)（列）周期的值，即行周期=幀周期/掃描方式的行數(shù)， 點(diǎn)周期=行周期/（每行點(diǎn)數(shù)×部分?jǐn)?shù)）。若幀頻為120Hz , 則幀周期為1/120s = 8.33ms, 根據(jù)掃描方式為1/16 可將80 行分為5個(gè)16 行，每行160 列，這樣，行周期即為520.6μs; 點(diǎn)周期為650.75ns; 點(diǎn)頻為1.54×106Hz.

　　4 結(jié)論

　　本文討論了LED 大屏幕視頻控制器中的灰度掃描方法， 本文提出了256 灰度級掃描時(shí)的實(shí)現(xiàn)方案，作者的創(chuàng)新點(diǎn)在于并設(shè)計(jì)了一款從暗到亮的256 級灰度顯示的LED 顯示控制芯片， 在本設(shè)計(jì)中幀頻可達(dá)120Hz ,行周期為520.6μs, 點(diǎn)周期為650.75ns; 點(diǎn)頻為1.54×106Hz.該芯片可以通過多塊級聯(lián)來驅(qū)動LED 大屏幕， 有著較好的應(yīng)用前景。