一种LED多色彩灰度扫描显示的可编程实现

　　1 介绍

　　LED（lightemitTIngdiode）显示屏由发光二极管阵列构成。发光二极管（LED）是一种电流控制器件，具有亮度高、体积小、单色性好、响应速度快、驱动简单、寿命长等优点，能胜任各种场合实时性、多样性、动态性的信息发布任务，因此得到了广泛的应用。LED大屏幕是通过一定的控制方式，用于显示文字、图像、行情等各种信息以及电视、录像信号，并由LED器件阵列组成的显示屏幕。LED大屏幕作为现代信息发布的重要媒体，正受到社会各界尤其是商业界、广告界的极大重视，被广泛应用于工业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、模拟军事演习、电子景观等领域。

　　本论文介绍了一种8位并行输入LED显示驱动芯片，在大屏幕LED显示系统中实现了从白到黑的多色彩的256级灰度显示，画面稳定清晰，取得了良好的视觉效果。

　　2 大屏幕LED的系统构成

　　考虑到LED电气特性以及机械安装等实际应用的要求，无论是室内LED电子显示系统或是室外LED电子显示屏，在结构上都采用了标准单元块的形式，即采用16×16、16×32、24×24或32×32个显示象素灯管构成一个单元块。每一个单元块形成自身独立的电子扫描功能、控制功能、存储功能，并以此构成一个独立的子系统；然后，再由各个标准源以及通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕电子显示系统，外加一定的计算机控制部件、带有数字化分量输出的多媒体卡或DVI卡及电源记忆通讯驱动部件后就构成了全点阵LED大屏幕电子显示系统。该系统的结构框图如图1所示。

　　其中的核心部分是LED扫描控制芯片，这个也是本文所要讨论的重点。该芯片为8位并行输入的LED显示驱动结构，可驱动16×8的LED屏体，应用在LED大屏幕上可以通过多片级联来实现LED大屏幕的显示。

　　图1  LED大屏幕系统结构框图

　　3  LED扫描方法和控制芯片的研究

　　1、灰度扫描方法的研究

　　对高灰度级LED大屏幕显示而言，灰度的分层（灰度扫描）方法是视频控制器设计的关键，由于LED的发光亮度与扫描周期内的发光时间近似成正比，所以灰度等级的实现通常是由控制LED的发光时间与扫描周期的比值，即采用调制占空比来实现的。

　　（1）灰度扫描约束公式

　　设显示灰度等级数为N，由于灰度级为1的像素在屏体的对应点亮时间为td，因而灰度线性调制后灰度级为i的数据显示时间为itd，灰度级最高的数据显示时间为（N一l）×td.通常的考虑是在td内完成对存储器一行数据的一次读出，同时以td为周期将读出的一行数据打人到屏体进行灰度显示。由于共有N个灰度级数，帧扫描周期为：

　　T=n×td×m（1）

　　屏体显示效率：η=（N一l）×td×m/T=（N一l）/N（2）

　　设视频数据输人速率为VI，存储器读出速率为Vo，由于必须在td内完成存储单元内一行数据的一次读出，故有：Vo/Vi》=h/（td×n）（3）

　　设λ为存储器读出与输人速率的比值，即λ=Vo/Vi，将（l）式代人（3）式中，有：λ》=h×N×m/（T×n）（4）

　　为保证图像的稳定显示，扫描帧频必须足够高，设F》=F0（即T《=T0，T0=1/F0），F0为人眼可接受的扫描帧频（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）即为灰度扫描约束公式。

　　（2）256灰度级全屏扫描

　　对于256灰度级全屏扫描，高的灰度级数、高扫描帧频与低的存储器读出速率是相互矛盾的。要获得高的灰度级数，就必须提高存储器读出速率，或者降低帧扫描频率，当灰度级数较高时，以目前的集成电路实现水平难以达到三者的兼顾。解决的方法之一是大量采用并行结构，但扫描频率每减小一倍成本就增加将近一倍，而且电路的复杂程度也有所增加；另一种方法是适当牺牲屏体显示效率以求得帧频与速率的折中，这种方法经实践验证是可行的。

　　设计中考虑到帧频与LED屏体显示效率的折中，采用λ=l，td=h/16，即存储器读出速率等于数据输人速率，显示基本时间单位为1/16倍行周期。灰度扫描通过对灰度数据按位分时显示的方法实现，即计算机屏幕图像以每像素24bit输出（红、绿、蓝各8bit）时，通过给每种颜色sbit字节的不同位分配不同的显示时间达到灰度显示的目的。比如，最低位（第8位）对应1/16行显示时间，第7位对应1/8行显示时间，？，第2位对应4行显示时间，最高位对应8行显示时间。屏体数据更新时间以行周期为单位，最低位对应更新时间为1行时间，其中显示1/l6行时间，其余15/16行时间里，由控制电路产生消隐信号进行消隐，其余位类同。