摘要：本文在分析LED 显示屏的显示扫描控制方法的基础上， 提出了用并行结构实现高灰度扫描控制的方案， 设计了基于FPGA 的8 位并行输入LED 扫描控制芯片， 并结合外围电路、显示面板及计算机构成了LED 大屏幕显示系统， 实现了LED显示屏的256 级灰度显示， 在简化系统硬件结构的前提下取得了清晰稳定的画面显示。

1 介绍

LED（light emitting diode）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。

2、LED 扫描控制芯片

通过数据比较之后， 本论文采用了恒流源驱动方式， 设计了一款可以实现从白到黑的256 级灰度显示的控制单元。该显示控制芯片具有与时钟同步的8 位并行输入端口， 内含16 个8 位的移位寄存器和16 个8 位的数据锁存器， 可以对8 位并行数据进行移位并锁存。图2 为该扫描和显示控制芯片的电路图。

图2. 扫描和显示控制芯片电路图

当电路开始工作时， 8 位并行数据在移位时钟脉冲的作用下打入芯片的移位寄存器模块中， 其内部含有16 个移位寄存器， 故移位16 次后，数据将从该芯片的DOUT0~DOUT7 输出到下一芯片； 同时将移位所得的16 个8 位数据输入到锁存器中锁存。这时只要输出控制信号为低， 并给出同名行的行选通信号同时使输出开放， 各列即可开始输出恒流， 同时8 位计数器开始对灰度级时钟进行计数， 当计数值与该列所存储的灰度值相等时， 该列的恒流输出结束， 从而实现相应LED 的显示时间控制， 即占空比控制。若采用10 个该显示控制单元级联驱动LED 显示屏， 则一直并行移位160 次就可完成第一行数据的传输。

运用VerilogHDL 编写代码并用Modelsim 仿真软件对该电路代码进行编译仿真， 得出了如图3、图4 所示得时序图。

图3 灰度控制单元时序图

图4 亮度控制单元时序图

通过时序图我们可以看到在控制端：

enable、rsel、bc_ena、latch 等控制端的控制下， 可以按照不同的需求来实现对不同灰度和亮度的实现。在灰度控制单元中， 数据在经过了16 个脉冲之后移位传输至输出端输出， 并且实现了8 列或者16 列输出的可调； 在亮度控制单元中， 通过调整enable、bc_ena、latch 的值实现了输出数据的可调， 从而准确的实现了亮度的控制功能。

根据各部分同名行的全部传输时间等于该同名行的显示时间， 可以得到行周期和点（列）周期的值，即行周期=帧周期/扫描方式的行数， 点周期=行周期/（每行点数×部分数）。若帧频为120Hz , 则帧周期为1/120s = 8.33ms, 根据扫描方式为1/16 可将80 行分为5个16 行，每行160 列，这样，行周期即为520.6μs; 点周期为650.75ns; 点频为1.54×106Hz.

4 结论

本文讨论了LED 大屏幕视频控制器中的灰度扫描方法， 本文提出了256 灰度级扫描时的实现方案，作者的创新点在于并设计了一款从暗到亮的256 级灰度显示的LED 显示控制芯片， 在本设计中帧频可达120Hz ,行周期为520.6μs, 点周期为650.75ns; 点频为1.54×106Hz.该芯片可以通过多块级联来驱动LED 大屏幕， 有着较好的应用前景。