LED电子显示屏真彩显示的关键技术介绍

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工程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，具有较高的可靠性和性能价格比，易于维护。综合上述诸多的因素，工程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10cd/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米以上，应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-connect）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。
　　
由于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、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、由于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、由于人们视觉对红、绿、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γ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：?
　　①红、绿、蓝三色的波长应分别为：660nm、525nm、470nm左右；?
　　②采用4管单元配白光为佳（多管单元也可以，取决于光强）；?
　　③红、绿、蓝三色的灰度级为256级；?
　　④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，可分为：①扫描驱动；②直流驱动；③恒流源驱动。对于户内点阵块屏，一般采用扫描方式；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，必须采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采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（ASIC），它将串并转换和大电流驱动合二为一，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5～15V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，fmax≥25MHz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。由于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公司研制开发出LED电子屏显示驱动专用集成电路TLC5901/5902/5903，这种ASIC的优点是：恒流源输出5～80mA（或10～120mA）；驱动能力为80mA×16Bits（或120mA×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专用集成电路9701，这种ASIC具有如下显著特点：内含8×16×32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位并行数据输出的级连功能；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；输出具有模式选择端，可用于奇、偶帧选择；具有非线性校正控制输入端。
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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，由于像素点的分离性，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=0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=Ton/Ts=D=bi2i。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，由于当足够小时，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。由于函数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：①组合像素法（PackedPixelMethod）：即画面上每个像素的所有位均集中存放在单个存储体中；②位平面法（BitPlaneMethod）：即像素的每一位各自存放在不同的存储体中。由于使用了多个存储体，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打入并行锁存器，8位加1计数器输出进位脉冲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出各像素的相邻权值。
　　
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（一个像素值用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8Col×Row点阵的显示屏，每个位平面存有8Col×Row位。存储器内部组织取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，用数字电路组合出复杂控制逻辑。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出现，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)。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E2CMOS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，以防止出现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（日本）、光磊公司（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TI公司生产的功率器件具有较大的产品优势。在控制和通信单元中，主要为逻辑和时序控制。目前在逻辑电路设计上最先进的技术为ISP技术，美国LATTICE公司的ISP产品具有较大的产品优势。在视频采集单元中，不仅要考虑高频信息处理的噪音、畸变问题，还要考虑VGA信号的采样精度及各种同步信号的同步性能，这方面国内北京银河电脑公司的LED视频卡质量上佳。
　　
检验LED电子显示屏的性能，主要应考察以下几项指标：
　　显示分辨率（像素点/平方米）
　　电子屏的可视距离及视角
　　亮度及可调性、色彩及对比度、一致性及稳定性
　　配光纯正性，RGB非线性校正（γ校正）
　　灰度：256级
　　帧频：>60帧/秒