LED显示屏的扫描算法

LED显示屏的扫描算法AbstractFrom 1990s last century,with the technology developmenLED panel has been being implemented in every area of day developed through monochrome,gray-scaled,and now to the ehighly consistency.The design parameters of LED panel are diffebut the selections of these parameters are not random,but regularThe article introduces the general knowledge,frame and prisystem,put up the concept of scan algorithm.Based on one contrthe paper discusses the relation among these parameters suchlighting efficiency.And it also put forward the principle of panel of signal timing,and the requirement of capacity and speed oarticle discusses the feasibility of software scan,and the method tAlso,it explains the reason about flicker,and concludes that sepdoes better than sequential-gray-scale scan,and row-precedence gray-scale-precedence scan.At last it tells the design procedures panel using this algorithm.Keywords:LED panel,scan algorithm,gray scale,flickerIIII摘要自上世纪90年代以来，LED显示屏逐渐在生产生活中大量的发展经历了单色到灰度的发展历程，目前正向着全彩色，高LED显示屏的各种参数虽然有所不同，但事实上无论是单色屏各种设计参数的选取并不是随意的，而是受许多条件限制的。文章简单介绍了LED显示屏系统的常识、架构和工作原理的设计参数，提出了扫描算法的概念。从灰度显示屏的扫描方示屏作为灰度屏的一种特例。在一种常用的屏体结构基础之上参数之间的关系。文章给出了屏体的划分原则，信号时序的计和点亮效率与其它设计参数的关系，亮度、对比度的计算公式分析了扫描电路对帧缓存容量和速度的需求。文章分析了软扫软扫描可行性的评价方法和参数计算方法，多线数屏体扫描电色扫描电路扫描灰度屏的改造原则。另外文章对闪烁现象建模描方式的灰度－幅值曲线，从理论上证明了打散灰度扫描的效描以及行优先扫描的效果好于灰度优先扫描。最后文章给出了计LED显示屏扫描部分的设计步骤。关键词：LED显示屏,扫描算法,灰度实现,闪烁II符号、变量注释表C：分时时钟数tC：帧缓存总容量tpC：总象素数量f：上屏时钟频率SPIf：SPI总线频率maxf：显示驱动模块的最大上屏时钟频率F：场频H：屏高mL：暗室中屏体的亮度bL：环境亮度sL：暗室环境中屏体LED的亮度maxM：模块最大级联数n：灰度等级sfN：子场数量coN：基色数量s：扫描线数ist：SPI软扫时连续两次启动SPI总线的时间间隔t(x)t,n：一级灰度一线数据的标准时间，也是STR的最短间隔时间mT：帧缓存的访问周期V：屏的对比度W：屏宽MW：驱动模块的宽度tdW：扫描电路总数据线宽度dpcW：扫描电路单基色数据线宽度FW：屏体分块的宽度x：灰度比例因子η：显示屏点亮效率minη：显示屏最低点亮效率SPIη：SPI软扫描上屏时钟的效率411LED显示屏的扫描算法V目录摘要..................................................................................................................................................IAbstract............................................................................................................................................II符号、变量注释表.........................................................................................................................III第一章前言.....................................................................................................................................11.1 LED显示屏的发展与应用................................................................................................11.2课题讨论的问题................................................................................................................1第二章LED显示屏系统概述........................................................................................................22.1 LED显示屏基本常识........................................................................................................22.2 LED显示屏系统架构........................................................................................................32.3屏体部分的原理................................................................................................................42.3.1 LED单管阵列.........................................................................................................42.3.2显示驱动模块.........................................................................................................52.3.3屏体结构.................................................................................................................72.4扫描控制部分的原理........................................................................................................72.5术语提取与概念定义........................................................................................................8第三章LED显示屏的扫描算法..............................................................103.1扫描部分详述..................................................................................................................103.1.1硬扫描系统...........................................................................................................103.1.2软扫描系统...........................................................................................................113.1.3灰度的产生和屏体的扫描...................................................................................123.2 LED显示屏的扫描参数...........................................................133.3扫描算法的定义.......................................................................................133.4扫描算法...............................................................................................143.4.1屏体的划分...........................................................................................................143.4.2 STR，RES时序....................................................................................................153.4.3亮度与对比度.......................................................................................................183.4.4点亮效率对设计参数的约束...............................................................................193.4.5上屏时钟对设计参数的约束...............................................................................203.4.6帧缓存...................................................................................................................213.4.7闪烁现象...............................................................................................................223.4.8软扫描...................................................................................................................283.4.9扫描线数之间的换算关系...................................................................................313.4.10单色系统扫描灰度图像.....................................................................................323.4.11其它扫描方式.....................................................................................................343.5扫描算法的应用...................................................................................343.5.1灰度等级和色彩校正...........................................................................................343.5.2扫描线数和场频...................................................................................................363.5.3锁存和消影...........................................................................................................363.5.4晶振的选择...........................................................................................................363.5.5应用扫描算法设计扫描电路...............................................................................37第四章结束语..............................................................................................40致谢..................................................................................................41参考文献.........................................................................................................42LED显示屏的扫描算法1第一章前言1.1 LED显示屏的发展与应用【5】自上世纪90年代以来，随着LED显示技术的设计制造水平的不断提高，LED显示屏逐渐在生产和生活中大量使用，LED显示屏以其特有的显示介质，在一些应用领域：比如大面积，全天候，高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED显示技术发展的十几年中，新器件和新技术不断采用，制造成本逐渐降低，生产分工不断细化，但大量应用的同时也暴露出LED显示技术的若干缺陷，总体上来说技术尚未成熟，标准尚未完全建立，有许多方面值得进行更深入的研究与改进。LED显示屏的发展经历单色，双色，多级灰度的发展历程，目前正向着全彩色，高灰度级，高一致性方向发展。人们总是期望事物的完美，LED屏也不例外，在各个方面人们不断改进技术提高性能，以使LED屏获得生动逼真的显示效果。在扫描场频方面：效果良好的LED屏已经实现120Hz的扫描频率，个别可以达到180Hz甚至400Hz的扫描频率。越高的场频将带来越小的闪烁同时得到越好图像质量。在实现的灰度等级方面：现今的灰度LED显示屏已实现单基色1024级甚至4096级灰度，经过图像校正，色彩表现非常细腻。在色彩校正方面：各个公司对其产品有着不同的设计色彩评价标准，因而就有不同的色彩校正方法。好的产品可以根据环境的变化动态改变色彩的校正。在图像传输方面：百兆、千兆以太网PHY传输技术，直至光纤传输技术得到了广泛的应用。在图像处理和扫描逻辑上：高性能处理器和FPGA得到了广泛的应用。经过十几年的发展，LED显示技术日渐成熟，向人们展现了美好的前景。1.2课题讨论的问题目前的LED显示屏的各种参数，如灰度和场频等，虽然各个公司依照不同的理解而采用的数值有所不同，但事实上无论是单色屏、双色屏、灰度屏还是全彩屏，LED显示屏的各种设计参数的选取并不是随意的，而是有许多限制条件的。在设计中反复的选取参数还是有某些设计原则需要遵守的。一个LED显示屏的设计参数有屏宽、屏高、场频、基色、色彩灰度级等。决定扫描方法的参数主要有驱动时钟个数、屏体分块数、锁存信号时序、使能信号时序，同时还可以采用CPU软件扫描或是逻辑电路硬件扫描。本课题探讨了LED显示屏扫描的扫描方法，并阐述了扫描方法和显示屏设计参数之间的制约关系，从而找到LED显示屏设计和优化的规范性方法。LED显示屏的实际显示效果直接影响了人们对其的接受程度，在这一点上LED显示屏与其它显示屏如CRT和液晶显示屏并无区别。人们根据对传统显示屏的印象往往很容易察觉出显示效果是粗糙还是细腻，自然还是生硬。LED显示屏的实际效果已成为现阶段各生产厂商关心的重要方面。本文探讨了扫描方法对LED显示效果的影响，阐述了扫描参数与亮度、对比度、闪烁和颜色校正之间的关系。东南大学硕士学位论文2第二章LED显示屏系统概述本章首先介绍LED显示屏的基本常识，进而介绍LED显示屏系统的架构组成，然后讨论了几个重要部分的实现原理，最后根据本章所述内容提出此篇论文所涉及的概念和术语并对这些概念和术语加以解释和描述。2.1 LED显示屏基本常识【2】【19】【10】【11】【21】LED是发光二极管的英文缩写，LED显示屏是指通过一定的控制方式，由LED器件阵列组成的显示屏幕。由于LED器件可以制成各种形状，常见的8段或米子LED数码管是一种形式，单管也是一种形式，甚至还可以按照用户的要求订做特定形状和段数的数码管，来显示英文字母和汉字等等。实际应用中采用各种LED器件的场合都存在。在一些需求简单的场合，只需要采用各种类型的数码管即可，但当需要显示复杂多变的信息时，如汉字和图像同时显示，采用数码管的显示屏就不能满足要求。这时需要采用点阵结构的LED显示屏。它的屏体是由大量的LED单管组成阵列形式，方式如同我们常见的液晶显示屏。每一个单管的发光亮度都可以单独控制。这样所有发光管共同组成了显示的画面。点阵式的LED显示屏能灵活显示各种形式的信息，对它的研究更具有普遍意义，所以本文讨论的是点阵式LED显示屏的扫描原理和图像质量。LED单管有不同颜色，如各种红，绿，蓝，橙。有些显示屏只使用一种颜色的单管组成屏体，每个或每几个单管构成一个象素作为显示信息的最小单位，显示屏只能同时显示一个色系，如由红色LED组成的屏体只能显示各种灰度的红色。我们称之为单基色的LED显示屏；而某些显示屏的最小成像单位却有几个不同颜色的LED单管组成，每种颜色的LED单管都可以单独控制，这样可以显示的颜色就大大扩展，以至于当象素由独立的红绿蓝三色LED单管构成时，可以显示人眼可以感知的全部色彩，这也就是平常所说的三元色原理。我们称象素中有两种基色的显示屏为双基色LED显示屏,而有三种颜色的LED则称为三基色显示屏。可以将象素中包含的LED单管的基色数量称为显示屏的基色。这里要注意的一点,如果显示屏一半用红色单管构成而另一半由绿色单管构成,那么这样的显示屏仍然是单基色的，因为它的每个象素只由一种基色的单管构成。现阶段由于蓝色LED的价格较高,所以屏体经常使用红绿两基色封装的LED，在LED显示屏领域，为了降低整体的造价，采用双基色的屏体是常用的方案；随着蓝色单管的价格不断降低，RGB三基色（一般就是指全彩色）LED屏体不断得到应用，相信这种全彩色LED显示屏就是今后的发展方向。上面提到象素是可以显示有效颜色或有效信息的最小单位。一般显示屏加工成方形,称水平方向为宽,垂直方向为高。不用绝对长度来衡量宽和高,而用水平方向和垂直方向的像素数量来表示,本文常常提及显示屏宽多少像素,高多少像素。虽然LED显示屏可以分为文本显示屏的和图像显示屏，但因为一般点阵屏体两者都可以显示，只是控制部分有所不同，所以这种分类方法没有多少实用意义。另外也有将LED显示屏分为室内、室外和半室外几种，只是在结构和密封等指标上有所不同，但基本原理却是一样的，最多强调的区别在于亮度和对比度。经常也将LED显示屏分类为同步LED显示屏和异步LED显示屏，区别是看显示屏是否可以同步显示计算机的VGA信号、DVI信号或是电视的RF信号、AV的视频信号。如果可以同步显示，则称之为同步显示屏。同步显示屏就像一台计算机显示器，或是一台监视器。而另一类显示屏不能同步显示上述信息，其只能将要显示的信息预先编辑好，然后按照脚本第二章LED显示屏系统概述3的要求播放这些信息，称这种显示屏为异步显示屏。脚本指定了信息播放的顺序，次数和动态效果，称这种动态的效果为播放特技。从这个角度看，异步显示屏更像是电子通知栏或是电子黑板。LED显示屏多数是采用扫描点亮方式工作的，即任意时刻并不是所有的LED都点亮，而只是按行点亮一部分，各个点亮行交替的频率很快，以使人眼视觉分辨不出这种闪烁，呈现在眼前的就是一副稳定的图像。通常是按照行来分割屏体的，有的屏体在完成一副完整图像的显示需要在时间上分16次完成，而有的则分为4次完成，也有分2次的，甚至有不分的，所有象素同时点亮，这时扫描就没有意义，就成为静态锁存形式的屏了。需要一个量描述这种分时的次数，使用扫描线数（有些文章亦称为象素共享系数）这个概念来描述完成一屏扫描的分时次数，如16次显示的称之为16线屏，4次显示的则称为4线屏，静态锁存的屏线数为1。线数越小，亮度越高，而电路则越复杂。为实现可以显示灰度图像的LED显示屏，需要对LED的亮度进行控制，通常有两种方法：电流控制和和占空比控制。电流控制是通过调节LED的正向电流来控制亮度。如把LED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若干个灰度级。但这种方式所需的驱动电路很复杂，可控性小，而且线性不好，因此在实际的应用并不多。常用的灰度实现方法是占空比方式。这一点的依据来源于HVS（人眼视觉系统）的特性：人眼视觉对于光的刺激从感觉上会有一段残留时间，在该段时间内，若有别的光刺激到达视野内的其他场所，从感觉上会产生与前面的光线同时到达的效果，假如后续的光刺激到达同样的场所，其感觉的强度会被叠加（被积分）。将LED管恒流驱动，如果在上述时间间隔内，以宽度不同的一系列脉冲控制LED发光，人眼感觉到的光强就是这一系列光刺激强度的和。LED所具有的快速响应特性可以使脉冲频率高达数十兆赫兹。因此控制LED点亮所占的时间比，即可控制人眼感受到的亮度。例如用1MHz，占空比为25%，峰值电流为100mA的脉冲去驱动LED，与用25mA的直流驱动相比其感受到的亮度是相同的。2.2 LED显示屏系统架构实际的LED显示屏不止是孤立的屏体，而是一种信息显示系统。它接收某种信息源的信息或自身就带有信息源，并将其以适当的形式显示在屏体上。LED显示屏一般由信号产生部分，传输部分，扫描控制部分和屏体部分组成。一个典型的LED显示屏系统可以用图1表示：各个部分的功能如下：信号产生部分：在同步屏系统中，信号产生部分接收有线电视的RF信号、DVD/VCD输出的AV信号或是计算机输出的VGA信号或DVI信号，然后对信号进行数字化图1 LED显示屏系统架构框图东南大学硕士学位论文及格式变换，形成用于传输的数据。在异步屏系统中，信号产生部分通常是一台PC机，其可以将各种资源如文本和图像生成用于传输的数据流。传输部分：一般信号源距离LED显示屏屏体都有相当长的一段距离，传输部分的作用是将信号产生部分的数据进行传输格式变换、协议变换和电平变换，然后传输到屏体的位置，再经过相应的反变换，将数据流恢复，提供给扫描控制部分。在这个过程中使用了各种传输协议和传输技术：数据量小的可以使用串行传输，数据量大的使用并行数据传输或是以太网传输；距离近的使用RS232电平传输，距离远一点的可以使用RS485电平差分传输甚至使用光纤传输等等。扫描控制部分：用来接受传输部分的数据流，进行适当的处理和变换，最终驱动屏体部分，完成显示。屏体部分：屏体是按照固定形式组成的LED单管或单元阵列，具体的说屏体首先是由驱动模块组成的，各个驱动模块具有相同的结构、尺寸和接口。驱动模块之间一般支持级联，可以用一个公共的接口来控制一组级联的模块。每个驱动模块的结构都一样，是由LED单管或单元阵列并配以扫描驱动电路组成的。下面部分就介绍了屏体部分的原理和扫描控制部分的原理。2.3屏体部分的原理2.3.1 LED单管阵列点阵形式的LED屏，是将LED单管组成阵列，其中若干个单管构成一个象素。原则上，只要屏体的控制电路可以使每个象素都独立可控，那么这样的屏体就是符合要求的；但是实际的屏体是由数量巨大的LED单管组成的阵列，所以阵列的驱动设计还需要考虑其它一些因素，比如总是希望具有接口简单、时序简单、易于级联等特性。图2表示了阵列中一行LED控制的原理。从图2可以看出每个LED单管都是独立可控的，当开关闭合时，电流流经限流电阻、LED、开关到地，从而LED点亮；开关断开时，LED熄灭。LED阵列就由相应的开关阵列图2 LED单管阵列LED显示屏的扫描算法5控制，控制信号由虚框中的控制逻辑产生。控制逻辑依据接口信号的意义，独立控制各个LED。开关阵列可以采用各种形式，一般用电子开关（三极管或MOS管），甚至可以是控制逻辑中的一部分。接口信号可以是串行逻辑或是并行逻辑。串行逻辑不但接口简单，而且容易级联，组成更大的阵列，所以使用更为广泛。实际的屏体还采用了扫描点亮方式，这在下文将详细论述。早期的LED屏体都是由LED显示屏生产厂家自主设计的，各个厂商的屏体结构原理大致相同然而接口却都不同。随着LED显示屏的广泛应用，行业分工逐渐细化，导致屏体的设计和扫描驱动控制电路的设计逐渐分离，一些专业厂商生产了各种形式的显示驱动模块，从而使屏体结构逐渐标准化，同时也方便了通用驱动控制电路的设计。2.3.2显示驱动模块显示驱动模块具有标准的尺寸，串行接口，可以级联，并采用了扫描点亮方式。显示驱动模块已经按照不同的线数进行了分类，模块将若干行LED组成一组，每次点亮一行，使用时将各个行顺序点亮的，如果以16行为一个循环，则这种屏体就是上文中提到的16线屏体，同理如果是4行一个循环，就称为4线屏体。驱动模块的数据接口采用串行方式，内部设置串行、并行两组寄存器，通过时钟将数据串行输入模块，通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器的同时更新屏体显示。模块按照基色的数量可分为单基色、双基色、三基色几种，其中三基色驱动模块为设计全彩色LED显示屏提供了准备条件。下面例举了4线三基色驱动模块的形式和接口，如图3：驱动模块的接口信号有串行时钟信号CLK，数据信号D，锁存信号STR，行选择信号A、B和模块有效信号RES。表1简要介绍了接口信号的作用。符号名称功能描述A，B行选择决定每组4行中的哪一行点亮，00对应于第一行点亮，01对应于第2行等等CLK串行时钟上升沿将数据锁存入驱动模块中的串行寄存器DR，DG，DB数据输入分别对应于三种基色（红绿蓝）的数据STR数据锁存上升沿将串行数据锁存入并行寄存器，同时屏体显示更新RES模块使能有效时屏体点亮，无效时屏体熄灭表1驱动模块接口信号其原理可以用图4来说明，图4中的数据线DATA代表其中一种基色的数据如红色，另外的两路基色与前者具有相同的结构，其中除数据信号外，其它所有信号都与下图中的信号并联，而3片74139也可以只用一片。图3 4线三基色显示驱动模块形式和接口东南大学硕士学位论文6对图4的若干说明：1.串行数据通路是使用一连串的74595来实现的，74595具有串行输入输出，内部有两组寄存器，分别用来存储串行和并行数据，符合对串行结构屏体的要求。当然实际的芯片可以不是74595而是其它性能更好的LED专用驱动芯片，具有非常好的恒流性能，但原理却是相同的。2.行选是通过74138或74139等译码器来实现。模块的使能接到了译码器的使能端，无效时，所有行管都截止，屏体LED熄灭。3.为了支持级联，信号进入模块后首先由74245隔离（图中未画出），然后分为两路，一路用于驱动本模块显示电路，另一路用于级联，这样可以使各个信号的延时减小，使模块的级联数增加。还可以看出对于同样的16行LED，如果使用16线屏体，需要横向一组74595，而使用4线屏体，则需要4组74595，可见线数越小，屏体结构越复杂。例如双基色16线模块两层PCB就足够了，而常用的3基色4线屏体要4层PCB板才能布通。另外一点，考察驱动模块正常工作时的亮度，在单位时间内16线的屏体的每行只能点亮161的时间，而4线的屏体却点亮41的时间，因此从宏观的效果上来看，16线屏体的亮度要小于4线屏体亮度。所以线数越少，相对同样的LED构成的屏体，亮度越高。由于模块使用中需要逐个级联，模块间信号会发生畸变，所以驱动模块一般有下面两个参数来说明其级联性能。maxf：最大CLK频率，时钟信号的在传播中会发生畸变，所以频率有一个上限值，图4显示驱动模块原理图第二章LED显示屏系统概述7计为maxf。maxM：在模块级联时，信号也会发生畸变，所以模块级联数也有一个上限，计为maxM。影响这两个参数的因素有许多，两者之间也有某些相关性，但一般只考虑厂商提供的数据即可。通常maxf可以到10M；而maxM能取到很大，可以这样理解：使用64象素宽的模块，实用中当级联达到1280象素宽时仍然有效，即20maxM>，这已经是个很大的数子。但有时这个参数的取值却不一定，最好实际测试一下。另外在设计驱动模块时各路信号的延时之间的差值越小，则可实现的级联数越大。选择合适的芯片可以使级联数增大，而级联数增大无疑对显示屏的设计带来更多便利。2.3.3屏体结构屏体是使用驱动模块组装成的，在水平方向驱动模块级联；在垂直方向，模块并联。级联的驱动模块对外部只有一组接口。最后屏体的接口就是垂直方向上的一组接口。例如要构造192×64的显示屏，其屏体可以采用32×16的16线驱动模块以图5所示的方式构造，注意图示是屏体的背面，正面是LED点阵。在水平方向使用6个模块，之间用排线相连。垂直方向使用4组这样的模块，最终屏体的接口就是图左边的4根排线就是屏体的控制线。另外理论上也可以用其它方式级联，但那样要么需要过长的排线，要么会使扫描寻址的复杂性增加，故一般不采用其它的屏体构成方式。2.4扫描控制部分的原理显示驱动模块构成了屏体，而扫描控制部分则产生用于驱动屏体的信号，来使屏体显示需要的图像。仍然以上一节的屏体为例，如果将纵向4组信号线中除了数据线外其它线都并联到一起，则屏体的控制信号为：CLK：上屏时钟DATA0～DATA3：与时钟同步的4根数据线图5屏体结构东南大学硕士学位论文STR：锁存RES：使能ABCD：行选信号控制可以按面的时序进行：1.通过192个时钟上升沿将数据串行输入屏体2.禁止RES，熄灭屏体3.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器4.同时切换行选信号ABCD，使数据显示到新的一行5.使能RES，点亮屏体，此时新的一行点亮，原来一行熄灭6.重复过程1～5，当行选到第16后，下一次选择第一行整个过程可以用图6来表示：另外还可以其它方式控制，如将纵向4组信号中的前两组的时钟并联到一起，后两组的时钟并联到一起，再将除数据外的所有其它信号并联在一起。分别将第1、第3组和第2、第4组的数据并联成为两路数据。则屏体控制信号为：CLK0，CLK1：两路时钟DATA0～DATA1：可以分别与两路时钟同步，哪路时钟起作用，数据就输入相应的组STR，RES，ABCD这样扫描方式也有了相应的变化：1.CLK1保持不变（恒高或恒低），CLK0的192个时钟上升沿将数据串行输入屏体的第1、第2组，之后CLK0保持不变2.CLK0保持不变（恒高或恒低），CLK1的192个时钟上升沿将数据串行输入屏体的第3、第4组，之后CLK1保持不变3.禁止RES，熄灭屏体4.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器5.同时切换行选信号ABCD，使数据显示到新的一行6.使能RES，点亮屏体，此时新的一行点亮，原来一行熄灭7.重复过程1～6，当行选到第16后，下一次选择第一行从上面的方案看出同样的屏体扫描方式却可以不同的扫描方式，时钟的增加换来了数据的成倍减少。这里有着固有的联系，文章下面的部分将分析并阐述这些关系。2.5术语提取与概念定义【10】【11】由以上对LED显示屏基本常识的介绍，提出如下若干术语并给予定义，在文章下面的部分所提及的所有术语的意义均使用此部分的定义。图6屏体扫描时序图LED显示屏的扫描算法9象素LED显示屏的最小成像单元。是表示图像信息的最小单位，与液晶显示器或是等离子显示器的定义一样，一个象素可能由多个同种颜色或不同颜色的单管组成，一个象素中不同基色的单管构成若干子象素，每种颜色的单管的总体成为一个子象素。双基色的屏体每个象素含有两个子象素；而全彩色的象素包含三个子象素或更多子象素。基色组成象素的LED单管的颜色的数量，在中华人民共和国电子行业标准《LED显示屏通用规范》中定义了双基色LED显示屏和全彩色LED显示屏。这两中屏对应的基色分别为2，3。宽指水平方向上象素的个数，而不是实际显示屏的尺寸。高指垂直方向上象素的个数，而不是实际显示屏的尺寸。灰度，灰度等级LED显示屏同一级亮度中从最暗到最亮所能区别的亮度级数。注意这里所说的所能区别是指技术上可以区别，这种区别使用某些高精度的仪器可以测量出来，但人眼视觉并不一定能分辨所有的等级。一般实现的灰度都为2的指数幂级，故可以表示为n2级灰度。显示特技是异步LED显示屏系统中常用的术语，用来指一幅画面替代另一幅画面的过程中，原画面从屏上消失的动态效果和新画面显示到屏幕的动态效果。简称特技。一般有两种模式：1.第一阶段，原画面应用一种特技从屏上消失，屏幕逐渐变为黑屏，一般成为出场特技；第二阶段新画面以另一种特技在屏上出现，新画面逐渐覆盖黑屏，一般称为进场特技。2.新画面直接以一种特技方式覆盖原画面。常用的特技有：从上向下覆盖以及各个其它方向上的覆盖，从下向上的移动及其它各个方向上的移动等等。场频是指LED显示屏所显示的数据每秒钟刷新的次数。多数LED显示屏采用扫描方式工作，显示稳定的图像是靠人眼的视觉残留效应，一般来说F越大，显示效果越好，而需要的上屏时钟频率就越高。扫描线数LED显示屏扫描显示一副完整的图像需要将图像分为几个部分，再将这几个部分分时显示。所需要的分时点亮的次数定义为扫描线数。东南大学硕士学位论文10第三章LED显示屏的扫描算法3.1扫描部分详述3.1.1硬扫描系统硬扫描是指由硬件逻辑从帧缓存内读取数据，变换数据格式，产生扫描时序的扫描系统。硬件扫描的控制核心是硬件逻辑电路板，或是将这些逻辑集成到其中的CPLD或FPGA。通常一套扫描系统可以适应多种样式的屏体，因此在系统设计过程中，将与屏体有关的部分和与屏体无关的部分在两块分立的PCB上实现，两者之间使用统一的接口，以使系统得到最大限度的复用性。一个典型的硬扫描系统由以下几部分构成。如图7：数据传输接口：这部分属于系统的数据传输部分。图7硬扫描系统框图第二章LED显示屏系统概述11处理器等其它控制逻辑：用来辅助完成信息的处理组织等功能，经常在异步显示屏中需要这部分，用来完成数据接收、特技控制等功能。扫描逻辑：扫描逻辑可以由分立元件构成，也可以由CPLD、FPGA集成，现阶段主要是使用后者。帧缓存：帧缓存是存储扫描逻辑部分用来进行数据变换时使用的临时存储器，通常存储一帧图像。其可能是乒乓工作的两组存储器，也可能是分时进行读写访问的一组存储器。数据分配：依据屏体的不同对数据格式重新组织。信号驱动：从上节可知，驱动屏体的许多信号是并联的，这些信号的信号源只有一个，所以需要另外几级驱动，将每个信号都复制成多个，每个驱动一路屏体。设计时对于硬扫描的系统需要考虑的问题还有帧缓存的容量和速度，及如何完成数据的分配。3.1.2软扫描系统当用户需求的屏幕有较低的参数和较小的尺寸时，使用上述的硬件扫描难免造成资源浪费：CPLD的资源利用较少，CPU的大量重复循环，RAM空间大部分剩余等等。如果利用CPU的固有资源来控制小尺寸显示屏成为可能，那么将大幅度降低成本，事实上是可以的。显然只要产生符合屏体驱动模块的时序的信号，就可以使用一只CPU再附加少量逻辑驱动并扫描LED显示屏，这样的系统就称为软扫描系统。软扫描的控制核心是有一定接口的处理器，如各种内核的单片机。由通用处理器完成帧数据的读取、组合和变换，同时通过某些总线接口产生扫描时序。典型的软扫描系统由以下几部分构成。东南大学硕士学位论文12与硬扫描不同的几处：处理器：完成图像读取，处理，产生扫描时序。存储器：与处理器配合，用来存储图像数据和程序运行过程中的变量。实际中要考虑的问题是：对于某种处理器可以扫描多大的屏体，对于要求的屏体是否可以采用软扫描。3.1.3灰度的产生和屏体的扫描常用的灰度实现方式采用占空比方式。举一个例子说明这个问题。例如实现82即256级灰度显示，对于4线屏体，可以采用下面两种扫描方法实现灰度：方法1：将每帧时间分成8段，每个时间段都要扫描一遍屏体，各个段的时间长度按照1:2:4:8:16:32:64:128来安排。要显示某级灰度的数据，只需要在相应的时间段内点亮LED，如第22级灰度即可在第2，3，5时间段点亮LED，连续扫描后即可得到稳定的带灰度图像。这样的扫描方式称为行优先扫描，就是先扫行再扫灰度。对于一个灰度级为n，线数为s的屏，按照如下方式扫描：图8软扫描系统框图第二章LED显示屏系统概述1.顺序扫描第1级灰度级的第1线到第s线2.顺序扫描第2级灰度级的第1线到第s线3.。。。4.顺序扫描第n级灰度的第1线到第s线具体扫描每一级灰度的过程如下：1.各时钟先后将数据串行移入对应的屏体2.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器3.同时切换行选信号，使数据显示到新的一线4.重复过程1～3，直到最后一线5.扫描下一级灰度方法2：将每帧时间分为4段，每段时间内扫描屏体的一线。每段时间内再将LED的点亮时间按照1:2:4:8:16:32:64:128来安排，在每线过程中一次将所有灰度扫完然后再扫描下一线，这种扫描方式称为灰度优先扫描，一般的过程如下：1.顺序扫描第1线的第1级灰度到第n级灰度2.顺序扫描第2线的第1级灰度到第n级灰度3.。。。4.顺序扫描第s线的第1级灰度到第n级灰度具体扫描每一线的过程如下：1.各时钟先后将第一级灰度的数据串行移入对应的屏体2.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器3.各时钟先后将第2级灰度的数据串行移入对应的屏体4.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器5.重复过程3～4，直到最后一级灰度6.切换行，扫描下一线控制每行LED的点亮时间有两种方法：一是通过控制STR信号的时间间隔来实现，两次STR之间的间隔时间就是一行LED的点亮时间，下文中以STRt表示这个时间；其二可以通过控制RES信号来实现，任何时候无效RES可以使模块熄灭，下文中以RESt表示RES的有效时间。由此可以看出STR时序和RES时序是扫描方法的两个重要参数。3.2 LED显示屏的扫描参数【7】【20】【8】【18】LED显示屏的扫描参数是和LED显示屏扫描部分相关的各种LED显示屏的参数，其中包括最终用户提出的用户需求参数：如屏宽，屏高，场频，色彩，亮度，对比度等等，也包括设计过程中的其它设计参数：如存储器，基色，灰度等级，帧频，场频，软/硬扫描，屏体分块等等。3.3扫描算法的定义这里认为，在设计LED显示屏扫描部分的过程中，求取各个扫描参数的方法称为LED显示屏的扫描算法。具体一点包括诸如：如何确定采用软扫描还是硬扫描，如何确定扫描线数，存储器参数，LED显示屏的扫描算法14屏体分块数，如何确定STR，RES时序等等。3.4扫描算法3.4.1屏体的划分扫描电路扫描的屏的尺寸可能和实际显示屏的尺寸不同，称扫描电路扫描的屏的尺寸为显示屏的逻辑尺寸，而实际显示屏的尺寸称为物理尺寸。逻辑尺寸大于等于物理尺寸。扫描电路总是按照屏的逻辑尺寸扫描屏体，一种扫描电路能扫描的逻辑尺寸在扫描电路的设计时就已经决定好了，当物理尺寸小于逻辑尺寸时，部分画面将不能在屏幕上显示，屏幕上显示的将是扫描画面的一角。扫描电路在设计时通常按照某个较大的尺寸设计，超出这个范围，这个扫描板将不能使用，也就是说扫描电路决定了LED屏的最大尺寸。当用户要求小尺寸的屏时，我们仍然使用这块扫描板，只是将扫描板的某几路数据空闲。扫描时仍按照设计尺寸扫描LED屏，我们只在物理屏体的范围内装载要显示的图像，而其它部分不管或是置0，因为超出物理屏体的部分用户是不可能看见的更不会关心上面的图像是什么。这样做会造成逻辑资源的浪费，但是如果针对每一种尺寸的屏体都设计一次驱动电路是更浪费人力的事，所以在一定的尺寸范围内，这样做是合算的。一般的LED生产公司都有几种显示屏扫描板，每种负责一定尺寸范围内的LED显示屏。以下讨论的都是显示屏的逻辑尺寸。一个宽W、高H的LED显示屏的驱动模块可以按照图9的方式组织：图中每个方格代表一个驱动模块，其宽度为MW象素，屏体进行了横向分块以保证模块级联数不超过maxM。以FW表示每个分块的宽度，则需要保证：maxWWMFM≤?(1)这是构建屏体的一个基本原则，可以称作屏体分块公式。将一组横向级联的若干显示驱动模块称为一组级联模块，如2.3.3小节所述，一组级联模块对外部只有一组控制接口。几组级联模块可以由一个时钟来共同驱动，在这个时钟的驱图9屏体组织图第二章LED显示屏系统概述15动下，几组模块的数据并行上屏。如图9中每个时钟驱动6组级联模块。而整个屏体则由若干分时时钟驱动，注意这里说的是分时时钟，就是说在数据上屏过程中，这些时钟是先后有效的。如果有两个时钟同时有效，那么认为这两个时钟是一个时钟，而其驱动的数据位宽为原来的2倍，这样两者是的等效的。当一个时钟无效时，它保持某个电平不变直到下次有效。下面给出逻辑屏体的接线原则，本文中讨论的所有扫描方式都是基于这种屏体连接方式的：所有的级联模块的锁存（STR）、行选（ABCD）、使能（RES）逻辑并联，所谓逻辑并联是指：逻辑并联的信号由一个共同的信号源驱动，波形相同，但其中可能存在多级驱动。一个分时时钟驱动的级联模块的时钟线（CLK）逻辑并联。各个分时时钟驱动的级联模块组数一致。各个分时时钟驱动的级联模块之间的对应的数据线逻辑并联。数据信号在各组时钟驱动的模块间是复用的，如时钟1控制的模块1的DR数据线和时钟2控制的模块1的DR数据线是并联的，因为只要某个时钟无效，数据就不会移入对应的分块中。增加分时时钟的数量可以成倍减少数据信号线的数量，以使硬件设计简化，注意这是评价设计的一个重要方面。下文中用C表示分时时钟数，用tdW表示一个分时时钟驱动的数据线宽度。用coN表示屏的基色数量。由于数据线中包含有不同基色的数据线，并且这些数据线宽度相等，所以可知每种基色的数据线宽度，用dpcW表示。有：tddpccoW=W?N(2)如果用s表示屏体的线数，可以得出一路分时时钟驱动的屏体高度为Wsdpc?。若以FW表示一个屏体分块的宽度，可知一路时钟驱动的象素数量为dpcFW?s?W。若以tpC表示屏的总象素数量，可知：CWsWCtpdpsF=???(3)而又有总象素数量等于屏宽与屏高的积：CWHWsWCtpdpsF=?=???(4)式4可称为总象素公式，从中可以看出分时时钟数C和分块宽度FW是扫描算法中的重要参数。3.4.2 STR，RES时序从灰度显示方面来看，如果按1:2:4:8:16:32:64:128的时间比例来控制STR实现256级灰度显示，可以看出若扫描第一级灰度的时间为1，那么扫描所有灰度的时间就是1+2+4+L+128=255。若显示屏的场频为F，则扫描一帧数据的时间为东南大学硕士学位论文F1，必须在255F?s1时间内完成一线灰度图像的扫描，数据移位时钟可能超过maxf。因此需要同时控制RES的使能时间，即在显示低灰度级数据时在保持STRt不变的情况下通过减小RESt来缩短LED的等效点亮时间。例如在各级灰度的STR信号的点亮时间为1:1:1:1:2:4:8:16的基础上，在扫描第一级灰度时调整RESt为STRt81，第二级灰度时调整RESt为STRt41，第四级为21，即RESt按照:1:2:4:8:1621:41:81的时间比例有效，此方法同样可以实现256级灰度，而此时扫描所有灰度的时间变为1+1+1+1+2+4+8+16=34，因此只要在34F?s1时间内完成一线灰度图像的扫描就可以了，但这种方法带来弊端是LED驱动模块的亮度损失。从以上论述中可以看出第一级灰度的STRt与RESt的比值对STRt和RESt在各级灰度之间的比例关系有重大影响，这个比值是2的指数幂，设为x2，称x为灰度比例因子。对于实现2n级灰度的显示屏，可以用两个以x为变量的比例式来描述STRt和RESt在各级灰度之间的比例关系：K xsssLs其中kxks?=2 0≤k