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LED显示屏控制技术

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256级灰度LED点阵屏显示原理及基于FPGA的电路设计

摘要：

本文提出了一种LED点阵屏实现256级灰度显示的新方法。

详细分析了其工作原理。

并依据其

原理，设计出了基于FPGA的控制电路。

关键词：

256级灰度；LED点阵屏；FPGA；电路设计

引言

256级灰度LED点阵屏在很多领域越来越显示出其广阔的应用前景，本文提出一种新的控制方式，即逐位分时控制方式。

随着大规模可编程逻辑器件的出现，由纯硬件完成的高速、复杂控制成为可能。

逐位分时点亮工作原理所谓逐位分时点亮，即从一个字节数据中依次提取出一位数据，分8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，则合成的点亮时间将会有256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。

表1列出了每一位的点亮与关断的时间分配。

如果定义数据位

“1”有效（点亮），“0”无效（熄灭），则表2列出了数据从00H到FFH时的不同点亮时间。

由表2可知：

数据每增1，点亮时间增加T/128。

根据点亮时间与亮度基本为线性关系的原理，从0~255T/128的点亮时间则对应256级亮度。

当然，这个亮度是时间上的累加效果。

如果把一个LED点阵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8场显示完，称为“8场原理”。

理论上讲，8场即可显示出256级灰度，然而通过表2可看出，即使数据为FFH时，在8T时间内也只是点亮了255T/128时间。

关断时间可接近6T，点亮时间仅为总时间的约25%，因此，8场原理虽也能实现256级灰度显示，但亮度损失太大。

为了提高亮度，可采用“19场原理”，即8位数据分19场显示完，其中D7位数据连续显示8场，D6位连续显示4场，依次递减。

表3列出了各位的点亮与关断时间。

由表3可推导出数据从00H~FFH范围的总点亮时间，如表4所

示。

在19T时间内，最大点亮时间可达近16T，占总时间的84.21%，远大于“8场原理”的25%。

数据每增1，点亮时间增加了T/16，该值大于“8场原理”的T/128。

所以，“19场原理”较“８场原理”的对比度更明显，图像层次分明、表现力强。

电路设计

256级灰度LED点阵屏通常要具有能远程同步实时显示计算机视频信号的功能，涉及到的电路包括：

数字视频信号的采集、数字信号的格式转换及非线性校正、远程传输及接收、灰度显示控制电路、LED点阵显示电路等。

本文重点讨论“灰度显示控制电路”的设计，控制对象以红、绿双基色LED点阵屏、1/16扫描显示电路为例。

FPGA内部电路如图1所示。

因为被控对象为1/16扫描显示电路，所以显示屏每16行只需要

一路数据信号即可。

DRout1、DGout1即为第一个16行的红、绿基色输出信号；DRout2、DGout2为第2个16行的红、绿基色输出信号。

以此类

推。

Ha、Hb、Hc、Hd的二进制编码，定义当前的数据输出应是16行中的哪一行。

CP信号为数据串行输出的同步移位脉冲。

LE信号为一行串行数据输出结束后的锁存脉冲,LE每有效一次，Ha、Hb、Hc、Hd二进制编码状态增1。

EA为灰度控制信号，其宽度为在一个时间单位T内LED的

点亮时间。

当然,不同的数据位其宽度不同,具体由表3决定。

一个时间单位T即一行串行数据的传输时间，也即LE信号的周期，其大小取

决于屏宽的像素点数量和CP信号的频率。

DRin1~8和DGin1~8为红、绿数据输入信号，分别对应第1个16行点阵区到第8个16行点阵区。

Cpin为同步脉冲，一个脉冲对应一位数据，8个脉冲对应一个像素点的8位数据输入。

H信号为行同步脉冲，一行数据输入结束，H信号有效一次。

V为帧同步脉冲，一帧（16行）数据输入结束，V信号有效一次。

上述信号均为前级系统提供的信号。

FPGA外部接有两组高速静态RAM（图中未画出），DRA1~8、DGA1~8为A组RAM的红、绿数据线，DRB1~8、DGB1~8为B组RAM的红、绿数据线；/WRA、/RDA为A组的读、写控制信号，/WRB、/RDB为B组的读、写控制信号；AA0~16为A组的地址线，AB0~16为B组的地址线。

使用两组RAM的目的是保证对RAM的读写操作能同时进行。

当写RAM（A）时，读RAM（B）；当写RAM（B）时，读RAM（A）。

二者的写/读切换由帧信号V控制。

V每有效一次，就进行一次切换。

Cpin为前级系统提供的写脉冲，同时亦作为写地址生成电路的计数脉冲，计数地址范围为A0~A16,共128K字节,其中A0~A2为灰度位数据地址（决定访问8位的哪一位）。

A3~A12为X方向的像素地址，A13~A16为Y方向的像素地址，即行地址。

H信号到来时，清零A0~A12，同时A13~A16地址加1。

V信号到来时，A0~A12及A13~A16全部清零。

上述地址作为RAM的写

地址。

CLK为读地址生成电路计数脉冲（外电路提供），计数地址范围亦为A0~A16,共128K字节,其中A0~A9为X方向的像素地址，

A10~A13为Y方向的像素地址，即行地址。

A14~A16为灰度位数据地址。

上述地址作为RAM的读地址，这些地址的变化规律应符合“19场原理”对地址要求的变化规律，即：

A0~A9计满后清零，产生一个行信号即LE信号。

LE信号作为A10~A13的计数脉冲，A10~A13计满后清零，产生一个场信号。

场信号作为A14~A16的计数脉冲。

不过，A14~A16并不是一简单的二进制计数，其规律如表5所示。

为了能正确地读取写到RAM中的数据，生成的读地址应按表6所示的方法与RAM连接。

读写控制电路的作用是向两组RAM提供读写控制信号，逻辑关系如表7所示。

数据输入/输出电路的作用是切换数据的传输方向，如表8所示。

帧切换电路的作用是产生上述电路所需要的切换信号S。

实现的方法是，帧同步脉冲V每有效一次，S的逻辑状态翻转一次。

帧切换电路保证了两组RAM随V信号不断进行读写转换。

灰度信号生成电路产生被控对象需要的EA信号，它随读地址A14、A15、A16的状态而变化。

逻辑关系如表9所示。

依据帧周期Tp=20ms，一帧=19场原理，可得如下计算结果：

场周期Tv=Tp/19=1.05ms;行周期T=Tv/16=66ms;输出移位脉冲周期Tcp=T/1024=64ns;输出移位脉冲频率fcp=1/Tcp=15.6MHz。

CLK信号频率fclk=fcp=15.6MHz;实际应用时，选取CLK时钟信号频率为16MHz。

在MAXPLUSII10.0环境下，使用图形和硬件描述语言完成了以上电路的设计。

FPGA选型及仿真结果由图1可知，FPGA必须提供113个I/O引脚，内部资源、工作频率须满足电路设计要求。

采用Altera公司的ACEX1K系列EP1K10QC208-3芯片，该FPGA芯片速度高、价位低、有114个I/O引脚，576个逻辑宏单元，可兼容输入输出电路的TTL电平。

仿真结果报告:

引脚利用率达99%，内部逻辑单元利用率达85%，达到了充分利用资源、提高性价比的目的。

参考文献

1宋万杰.CPLD技术及应用[M].西安.西安电子科技大学出版社,1999

作者简介：

魏银库，郑州防空兵学院电子教研室主任，硕士生导师。

研究方向为计算机的嵌入式应用技术。

LED显示屏的基本概念

色彩:

将红色和绿色LED放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；将红、绿、蓝三种LED管放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。

像素:

制作室内LED屏的像素尺寸一般是2-10毫米，常常采用把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体。

室外LED屏的像素尺寸多为12-26毫米，每个像素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称像素筒。

双色像素筒一般由3红2绿组成，三色像素筒用2红1绿1蓝组成。

无论用LED制作单色、双色或三色屏，想显示图像需要构成像素的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的灰度等级。

灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。

一般256级灰度的图像，颜色过渡已很柔和，而16级灰度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。

所以，彩色LED屏当前都要求做成256级灰度的。

刷新率:

是指LED显示屏更新和转换画面的速度，通常用帧/秒来表示。

通讯距离:

一般LED显示屏的信号输入是微机或其它设备，显示屏离信号输入设备都有一段距离，所以要求LED显示屏必须支持远距离信号的输入并还原，基本所有的LED显示屏都支持10米以上的信号输入

VGA输入接口：

VGA接口采用非对称分布的15pin连接方式，其工作原理：

是将显存内以数字格式存储的图像（帧）信号在RAMDAC里经过模拟调制成模拟高频信号，然后再输出到等离子成像，这样VGA信号在输入端（LED显示屏内），就不必像其它视频信号那样还要经过矩阵解码电路的换算。

从前面的视频成像原理可知VGA的视频传输过程是最短的，所以VGA接口拥有许多的优点，如无串扰无电路合成分离损耗等。

DVI输入接口：

DVI接口主要用于与具有数字显示输出功能的计算机显卡相连接，显示计算机的RGB信号。

DVI（DigitalVisualInterface）数字显示接口，是由1998年9月，在Intel开发者论坛上成立的数字显示工作小组（DigitalDisplayWorkingGroup简称DDWG），所制定的数字显示接口标准。

DVI数字端子比标准VGA端子信号要好，数字接口保证了全部内容采用数字格式传输，保证了主机到监视器的传输过程中数据的完整性（无干扰信号引入），可以得到更清晰的图像。

标准视频输入（RCA）接口：

也称AV接口，通常都是成对的白色的音频接口和黄色的视频接口，它通常采用RCA（俗称莲花头）进行连接，使用时只需要将带莲花头的标准AV线缆与相应接口连接起来即可。

AV接口实现了音频和视频的分离传输，这就避免了因为音/视频混合干扰而导致的图像质量下降，但由于AV接口传输的仍然是一种亮度/色度（Y/C）混合的视频信号，仍然需要显示设备对其进行亮/色分离和色度解码才能成像，这种先混合再分离的过程必然会造成色彩信号的损失，色度信号和亮度信号也会有很大的机会相互干扰从而影响最终输出的图像质量。

AV还具有一定生命力，但由于它本身Y/C混合这一不可克服的缺点因此无法在一些追求视觉极限的场合中使用。

S视频输入：

S-Video具体英文全称叫SeparateVideo，为了达到更好的视频效果，人们开始探求一种更快捷优秀清晰度更高的视频传输方式，这就是当前如日中天的S-Video（也称二分量视频接口），SeparateVideo的意义就是将Video信号分开传送，也就是在AV接口的基础上将色度信号C和亮度信号Y进行分离，再分别以不同的通道进行传输，它出现并发展于上世纪90年代后期通常采用标准的4芯（不含音效）或者扩展的7芯（含音效）。

带S-Video接口的显卡和视频设备（譬如模拟视频采集/编辑卡电视机和准专业级监视器电视卡/电视盒及视频投影设备等）当前已经比较普遍，同AV接口相比由于它不再进行Y/C混合传输因此也就无需再进行亮色分离和解码工作，而且使用各自独立的传输通道在很大程度上避免了视频设备内信号串扰而产生的图像失真，极大地提高了图像的清晰度，但S-Video仍要将两路色差信号（CrCb）混合为一路色度信号C，进行传输然后再在显示设备内解码为Cb和Cr进行处理，这样多少仍会带来一定信号损失而产生失真（这种失真很小但在严格的广播级视频设备下进行测试时仍能发现），而且由于CrCb的混合导致色度信号的带宽也有一定的限制，所以S-Video虽然已经比较优秀但离完美还相去甚远，S-Video虽不是最好的，但考虑到目前的市场状况和综合成本等其它因素，它还是应用最普遍的视频接口。

视频色差输入接口：

目前可以在一些专业级视频工作站/编辑卡专业级视频设备或高档影碟机等家电上看到有YUVYCbCrY/B-Y/B-Y等标记的接口标识，虽然其标记方法和接头外形各异但都是指的同一种接口色差端口（也称分量视频接口）。

它通常采用YPbPr和YCbCr两种标识，前者表示逐行扫描色差输出，后者表示隔行扫描色差输出。

由上述关系可知，我们只需知道YCrCb的值就能够得到G的值（即第四个等式不是必要的），所以在视频输出和颜色处理过程中就统一忽略绿色差Cg而只保留YCrCb，这便是色差输出的基本定义。

作为S-Video的进阶产品色差输出将S-Video传输的色度信号C分解为色差Cr和Cb，这样就避免了两路色差混合解码并再次分离的过程，也保持了色度通道的最大带宽，只需要经过反矩阵解码电路就可以还原为RGB三原色信号而成像，这就最大限度地缩短了视频源到显示器成像之间的视频信号通道，避免了因繁琐的传输过程所带来的图像失真，所以色差输出的接口方式是目前各种视频输出接口中最好的一种。

BNC端口：

通常用于工作站和同轴电缆连接的连接器，标准专业视频设备输入、输出端口。

BNC电缆有5个连接头用于接收红、绿、蓝、水平同步和垂直同步信号。

BNC接头有别于普通15针D－SUB标准接头的特殊显示器接口。

由R、G、B三原色信号及行同步、场同步五个独立信号接头组成。

主要用于连接工作站等对扫描频率要求很高的系统。

BNC接头可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号频宽较普通D－SUB大，可达到最佳信号响应效果。

RS232C串口:

RS-232C标准（协议）的全称是EIA-RS-232C标准，其中EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（ecommededstandard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。

。

它规定连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。

常用物理标准还有有EIA�RS-232-C、EIA�RS-422-A、EIA�RS-423A、EIA�RS-485.这里只介绍EIA�RS-232-C（简称232，RS232）。

计算机输入输出接口，是最为常见的串行接口，RS-232C规标准接口有25条线，4条数据线、11条控制线、3条定时线、7条备用和未定义线，常用的只有9根，常用于与25-pinD-sub端口一同使用，其最大传输速率为20kbps，线缆最长为15米。

RS232C端口被用于将计算机信号输入控制LED显示屏。

寿命:

通常LED显示屏都在室外使用，所以要求LED显示屏能适应户外多变的使用环境，在抗老化和无故障运行要比其它显示设备都要稍胜一筹。

一般正常无故障的使用时间都可以达到5000小时以上。

LED显示屏（LEDpanel）：

LED就是lightemittingdiode，发光二极管的英文缩写，简称LED。

它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。

图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。

LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。

它的优点：

亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。

LED显示屏原理介绍（3）__FromAgilentTechnologies

星期六,九月16,2006

LED显示屏原理介绍（3）__FromAgilentTechnologies

Allthedatalatches（timeslots）needtobecontainedinasinglescanperiod.Ifthescanperiodisshortenedtoreducetheoverallbrightnessofthescreen（seeFig-ure16）,themodulecontrollermustensurethatallthedatalatchesoccurwithinthatshortenedscanperiod.

Figure17isjustanexample.TherearemanyotherdriverICsthatcanbeused（seeAppendixA:

ChoosingaDriver）.Thecommonlinedrivershownintheexamplehasabuilt-inshiftregister.Therearealsoparallelinterfacedriversavailableinthemarket.

IntelligentdriversTheprevioussectiondemonstratedtheconceptofusingconstant-currentlatchesatthelowsideoftheLEDarray.

Althoughmoreexpensive,intelligentdriversreducethecomplexityofthemodulecontrollerconsiderably.Asshownbelowin

Figure18,intelligentdriverswillmanagethegenerationofgrayscales.Themodulecontroller,

however,stillneedstomanageFigure18.Usingintelligentdrivers.thecommon-linedriving.Brightnesscontrolisalsooffloadedtotheintelligentdrivers.Intelligentdriversarehighlyrecommendedforvideoapplications.

Detailedexplanationofthesedriversisbeyondthescopeofthisapplicationnote.Pleaserefertotheappropriatedriverdatasheet.（E.g.TLC5911fromTexasInstruments.SeeAppendixB.）

Gammacorrection

Thetransferfunctionbetweentheelectricalandopticalcomponentsofadisplaysystemisnon-linear.Ifthisnon-linearityisnotcompensated,highbrightnessregionsareexpandedanddimregionsarecompressed.Thefigurebelowshowsthecharacteristic.

Asanexample,CRTdisplayshaveagammaofaround0.45.Hence,

whereRin,GinandBinarethedatainputintothedisplaydrivers.Ifwegamma-correctRin,GinandBin:

whereRin`,Gin`andBin`aretheincomingvideosignalsfromthevideosource:

Alinearrelationshipwillthenbeestablished.Gamma-correctionisusuallyimplementedusingalookuptable,e.g.PROMorDSP.However,digitalcircuitryhasfiniteresolution.Forthatreason,thegamma-correcteddatashouldhaveahigherresolution.Somescreenbuildersusean8-bitto9-bitgammacorrectionwhileothersuse10bitsforincreasedpicturequality.T.I.hasanintelligentdriverthathasgrayscalesupto10bits（TLC5911）.

Picturequalityisasubjectivemeasurement.Displaymakersusuallytunetheirscreensforacceptablebrightness,contrast,

andgammabeforedeployment.