- LED電子顯示屏真彩顯示技術(shù)分析
- 圖像采集技術(shù)
- 圖像色彩再現(xiàn)
- 顯示驅(qū)動電路
- 亮度控制D/T轉(zhuǎn)換技術(shù)
- 數(shù)據(jù)重構(gòu)與存儲技術(shù)
自八十年代以來，隨著公共場合信息的增多，建立性能優(yōu)良、價格低廉的大面積信息宣傳媒體一直是工程技術(shù)人員所關(guān)注的問題。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，要求的顯示性能以及對顯示系統(tǒng)成本的要求的不同，人們可以選擇不同的顯示媒體。考慮到用于戶內(nèi)外的大屏幕顯示媒體對顯示設(shè)備的顏色、亮度、視頻效果、可靠性、壽命等性能要求比較苛刻。
它要求顯示系統(tǒng)能夠顯示出接近于自然色彩的真彩畫面，并且具有較高的顯示亮度，無論是在白天還是在晚上，晴天還是陰天，都能夠讓觀眾清楚的看到其內(nèi)容，并且能夠根據(jù)外部自然光強(qiáng)度的變化自動地對其顯示正在播放的視頻節(jié)目，具有較高的可靠性和性能價格比，易于維護(hù)。綜合上述諸多的因素，工程技術(shù)人員通過對磁翻版、真空像素管、電視墻、LED顯示屏的比較，發(fā)現(xiàn)LED作為顯示像素可以很好的滿足上述要求，是一種很好的戶內(nèi)外顯示屏媒體。
同時，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能達(dá)到了新的水平，其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10cd/w以上，尤其藍(lán)色超高亮LED器件的出現(xiàn)，使得LED器件的光譜覆蓋了自然光的范圍。
因此，利用LED器件制造大型平板顯示屏系統(tǒng)成為LED器件應(yīng)用的重要領(lǐng)域，進(jìn)而推動了大型顯示屏系統(tǒng)發(fā)展并形成一種產(chǎn)業(yè)。用LED器件組成顯示屏的最大特點(diǎn)在于其制造不受面積限制，可以達(dá)到幾十甚至幾百平方米以上，應(yīng)用于室內(nèi)外的各種公共場合顯示文字、圖形、圖像、動畫、視頻圖像等各種信息，成百上千人同時駐足觀看，具有較強(qiáng)的廣告渲染力和震撼力，對都市的社會活動有較強(qiáng)的氣氛渲染作用，美化和豐富了人們的生活環(huán)境。
1、圖像采集技術(shù)
LED電子顯示屏要顯示真彩圖像，必須首先解決視頻信號的實(shí)時采集，將模擬視頻信號采集為數(shù)字視頻圖像。早期的做法是利用視頻采集卡和一些帶特征口（Feature-connect）的VGA卡相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。
視頻采集卡用來捕獲視頻圖像，再通過VGA特征口獲得場頻、行頻、像素點(diǎn)頻以及顏色查找表的索引地址，在跟蹤C(jī)RT圖像時可以通過復(fù)制顏色查找表的方法來獲得紅、綠、藍(lán)分離的數(shù)字信號。一種方法是用軟件定時復(fù)制，另一種是采用硬件竊取技術(shù)，后者更為有效、快速。
由于上述這種技術(shù)存在著與VGA卡兼容性差、邊緣不清晰、圖像質(zhì)量較差等缺點(diǎn)，電子顯示屏所顯示的圖象質(zhì)量也受到了限制，為此，北京銀河電腦公司于1998年研制開發(fā)出LED電子顯示屏專用視頻卡JMC-LED。
該卡基于PCI總線，采用64位圖形加速器，將VGA和視頻功能合二為一，負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)與VGA數(shù)據(jù)的疊加，色空間變換，從根本上解決兼容性問題。應(yīng)用全屏分辨率采集，YUV4：2：2無壓縮存儲技術(shù)保證視頻圖像的最佳化，視頻窗口采用EST邊緣增強(qiáng)技術(shù)，保證縮放后圖像的清晰程度。支持制式為PAL和NTSC，視頻窗口可以任意縮放、移動。
該卡可以將電子顯示屏播放視頻時所需的場頻、行頻、像素點(diǎn)頻幾個同步信號提取出來，并將紅、綠、藍(lán)三色信號分離出來。數(shù)字RGB格式為8：8：8，各可以產(chǎn)生256級灰度，能滿足電子顯示屏真彩播放的要求。
2、真實(shí)圖像色彩再現(xiàn)
全彩LED電子顯示屏的視覺原理與彩色電視機(jī)一樣，是通過紅、綠、藍(lán)三種顏色的不同光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)圖像色彩的還原再現(xiàn)。紅、綠、藍(lán)的純正度直接影響圖像色彩再現(xiàn)的視覺效果。然而白光的三色配比不是簡單的三種顏色的疊加。
第一、在保證光頻純正的前提下，要求紅、綠、藍(lán)光強(qiáng)之比必須接近3：6：1；
第二、由于人們視覺對紅色的敏感性，要求紅色發(fā)光源在空間上要分散分布；
第三、由于人們視覺對紅、綠、藍(lán)三種顏色光強(qiáng)的不同的非線性曲線響應(yīng)，要求不同光強(qiáng)的白光對紅、綠、藍(lán)要進(jìn)行類似電視機(jī)里的γ校正；
第四、人的視覺對色差的分辨能力有限。因此必須找出圖像色彩再現(xiàn)真實(shí)性的客觀指標(biāo)。為了再現(xiàn)真實(shí)圖像色彩，在LED電子顯示屏的配光上應(yīng)滿足下面一些要求：
①紅、綠、藍(lán)三色的波長應(yīng)分別為：660nm、525nm、470nm左右；
?、诓捎?管單元配白光為佳（多管單元也可以，取決于光強(qiáng)）；
?、奂t、綠、藍(lán)三色的灰度級為256級；
?、鼙仨毑捎冕槍ED像素管的非線性校正。
紅、綠、藍(lán)三色配光及非線性校正可以用顯示控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)，也可由播放系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。
3、專用顯示驅(qū)動電路
從目前像素管的幾種顯示方式來看，可分為：①掃描驅(qū)動；②直流驅(qū)動；③恒流源驅(qū)動。對于戶內(nèi)點(diǎn)陣塊屏，一般采用掃描方式；而對于戶外像素管屏，要保證所顯示的圖像一致性好、穩(wěn)定、高亮，必須采用直流驅(qū)動加恒流源方式。
較早的LED電子顯示屏驅(qū)動電路大多采用低壓信號的串并轉(zhuǎn)換CMOS電路和大電流驅(qū)動的雙極電路兩塊組成（如74HC595+MC1413/UNL2803、CD4094/MC14094+MC1413、74HC164+74HC273+MC1413），這種形式的驅(qū)動電路存在著焊點(diǎn)多、成本高、可靠性低等問題。
針對這些缺點(diǎn)，美國TI公司開發(fā)生產(chǎn)出TPIC6B595(TPIC6C595)專用集成電路（ASIC），它將串并轉(zhuǎn)換和大電流驅(qū)動合二為一，這種ASIC具有如下顯著特點(diǎn)：并行輸出驅(qū)動能力大，單路驅(qū)動電流高達(dá)200mA，可直接驅(qū)動LED；電流電壓范圍寬，工作電壓可在5～15V內(nèi)靈活選用；串行輸入、移位和鎖存、時鐘輸入端口都設(shè)有施密特整形電路；串并輸出電流大，吸收和供給電流都大于4mA，級連方便；數(shù)據(jù)處理速度高，串行時鐘頻率，fmax≥25MHz特別適用于多灰度彩色顯示屏的LED驅(qū)動。
我國的無錫東大先行微電子有限公司也于1998年生產(chǎn)出與TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095，但價格大為降低。由于TPIC6B595的并行輸出口僅為8位，驅(qū)動分辨率較高全彩顯示屏?xí)r需要TPIC6B595的數(shù)量較大，且256級灰度控制較麻煩。
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為此，美國TI公司研制開發(fā)出LED電子屏顯示驅(qū)動專用集成電路TLC5901/5902/5903，這種ASIC的優(yōu)點(diǎn)是：恒流源輸出5～80mA（或10～120mA）；驅(qū)動能力為80mA×16Bits（或120mA×8Bits）；PWM控制的256級灰度顯示；亮度32級可調(diào)；時鐘同步的8位并行數(shù)據(jù)輸入。該芯片使得256級灰度控制更為簡單，恒流源方式使得圖像顯示一致性更好，TQFP100的封裝使得驅(qū)動板面積大為減少。
在此基礎(chǔ)上，TI公司又研制性能更好的LED驅(qū)動專用芯片TLC5921。北京華虹集成電路設(shè)計(jì)公司也研制開發(fā)出性能優(yōu)良的LED專用集成電路9701，這種ASIC具有如下顯著特點(diǎn)：內(nèi)含8×16×32數(shù)據(jù)掃描陣列，實(shí)現(xiàn)從靜態(tài)至1/32動態(tài)掃描；數(shù)據(jù)輸入掃描陣列和數(shù)據(jù)輸出灰度控制分別采用兩個獨(dú)立的時鐘；采用8位并行數(shù)據(jù)輸入和8位并行數(shù)據(jù)輸出的級連功能；16個數(shù)據(jù)輸出端，每個端驅(qū)動LED電流可達(dá)80mA以上，每個端數(shù)據(jù)輸出耐壓大于20V；數(shù)據(jù)輸出256級灰度；輸出具有模式選擇端，可用于奇、偶幀選擇；具有非線性校正控制輸入端。
4、亮度控制D/T轉(zhuǎn)換技術(shù)
LED電子顯示屏是由許多相互獨(dú)立的像素點(diǎn)（發(fā)光元）排列而成，由于像素點(diǎn)的分離性，決定了其發(fā)光的控制和驅(qū)動只能以數(shù)字方式進(jìn)行。這些像素點(diǎn)的發(fā)光狀態(tài)由控制器同步地控制，獨(dú)立驅(qū)動。視頻真彩色顯示意味著要對每一個像素點(diǎn)的亮度分別進(jìn)行控制，并且要在規(guī)定的掃描時間內(nèi)同步地完成。大屏幕是以數(shù)以萬計(jì)的像素點(diǎn)組成的，這使得系統(tǒng)的復(fù)雜性較兩值顯示大屏幕而言大為增加，并對總體的數(shù)據(jù)傳輸速度提出了更高的要求。給每一像素點(diǎn)設(shè)置一個常規(guī)D/A顯然是不現(xiàn)實(shí)的，必須尋找一種能最大限度降低系統(tǒng)復(fù)雜性且性能盡可能高的解決方案。
由視覺原理知道，人對像素點(diǎn)的平均亮度感覺可取決于它的亮/滅占空比。也就是說，只要對像素點(diǎn)亮/滅占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)對亮度的控制。對LED電子顯示屏而言，這意味著只要將代表像素點(diǎn)亮度的數(shù)字轉(zhuǎn)換為像素點(diǎn)發(fā)光的時間（D/T轉(zhuǎn)換），即實(shí)現(xiàn)了亮度的D/A轉(zhuǎn)換。
設(shè)屏幕數(shù)據(jù)刷新的周期為，控制任意像素點(diǎn)亮度的數(shù)據(jù)為n位二進(jìn)制數(shù)D=bi2i（其中bi=0或1），Ton為相應(yīng)于D的發(fā)光時間，則像素點(diǎn)亮/滅的占空比為：d=Ton/Ts=D=bi2i。該表達(dá)式可用可預(yù)置減法計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，但每一像素點(diǎn)配一計(jì)數(shù)器將使得顯示電路異常復(fù)雜。上式改寫為：Ton=Tsbi2i，這意味著可將Ton分成幾個時間段，由于當(dāng)足夠小時，幾個分離時間段合成的Ton與總長度相同的連續(xù)的Ton其視覺效果是相同的。于是，一般地有，對于n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)D=bi2i，將分Ts為n段，并選取適當(dāng)時間分割函數(shù)f(i)，使得第i段Ti=Tsf(i)，其中0即為此像素點(diǎn)的亮/滅占空比。由于函數(shù)f(i)對所有像素點(diǎn)而言可以是共同的，因而上式表明，只要用f(i)統(tǒng)一控制各個像素點(diǎn)，就能實(shí)現(xiàn)全屏幕所有像素點(diǎn)相互獨(dú)立而又同步的D/T轉(zhuǎn)換。對于單個像素點(diǎn)來說用圖1的電路可實(shí)現(xiàn)上式。圖中SFR為8位移位寄存器，圖為時間分割函數(shù)f(i)的波形。
大屏幕顯示驅(qū)動電路通常采用“串行移位+鎖存+驅(qū)動”的結(jié)構(gòu)，以期盡量減少數(shù)據(jù)傳送線。要全屏幕同時實(shí)現(xiàn)上式，只要將所有ST信號統(tǒng)一由f(i)控制即可。當(dāng)然這樣做的前提是要求移位寄存器中存放的是各個像素點(diǎn)控制數(shù)據(jù)中的同權(quán)位，而這可通過預(yù)先的數(shù)據(jù)處理做到。
5、數(shù)據(jù)重構(gòu)與存儲技術(shù)
存儲器有兩種組織方式：①組合像素法（PackedPixelMethod）：即畫面上每個像素的所有位均集中存放在單個存儲體中；②位平面法（BitPlaneMethod）：即像素的每一位各自存放在不同的存儲體中。由于使用了多個存儲體，它們可以一次同時讀出更多的像素信息。從兩種存儲結(jié)構(gòu)來分析，利用位平面結(jié)構(gòu)有利于提高LED屏的顯示效果。
整個LED顯示屏顯示控制電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)重構(gòu)電路完成RGB數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，將不同像素的同權(quán)位組合在一起，然后存放在相鄰的單元中，從而以位的形式完成整個數(shù)據(jù)的重新組合。
數(shù)據(jù)重構(gòu)電路主要由四大部分組成：8位數(shù)據(jù)并行傳送電路；8位并-串轉(zhuǎn)換電路；8位數(shù)據(jù)鎖存電路；8位加1計(jì)數(shù)器。R/G/B各8位數(shù)據(jù)由經(jīng)同步處理后的像素點(diǎn)頻打入并行鎖存器，8位加1計(jì)數(shù)器輸出進(jìn)位脈沖LD，將8位數(shù)據(jù)同時鎖存到8位并-串轉(zhuǎn)換電路，由時鐘控制電路完成并-串轉(zhuǎn)換電路時鐘的控制。數(shù)據(jù)經(jīng)過重構(gòu)后，一個存儲體中不再是一個像素值，而是不同像素值的同權(quán)位。將所有的同權(quán)位存放在一起，從而構(gòu)成以位為單位的位平面存儲結(jié)構(gòu)。在讀出時必須按相反的規(guī)則取出各像素的相鄰權(quán)值。
讀寫地址發(fā)生器必須滿足嚴(yán)格的時序。對同一存儲芯片來說，可將其分為N片（一個像素值用N位表示），每片表示一個位平面，像素經(jīng)過轉(zhuǎn)換向同一存儲器寫入時，首先寫0位，再寫1位，最后寫N位。對于8Col×Row點(diǎn)陣的顯示屏，每個位平面存有8Col×Row位。存儲器內(nèi)部組織取決于驅(qū)動屏體上像素管的邏輯連線關(guān)系。根據(jù)存儲器組織，讀地址發(fā)生器由列驅(qū)動行，再由行驅(qū)動位；寫地址發(fā)生器則采用由位驅(qū)動列、列驅(qū)動行的方式，從而可以保證讀寫同步性，正確地同步顯示原始圖像信息。
6、邏輯電路設(shè)計(jì)中的ISP技術(shù)
在早期的LED電子顯示屏顯示控制電路中，大量采用的是常規(guī)數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用數(shù)字電路組合出復(fù)雜控制邏輯。在常規(guī)數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，當(dāng)電路設(shè)計(jì)完成后，須先制作電路板，然后安裝元件，調(diào)試。如果電路板的邏輯功能不符合要求就必須重新設(shè)計(jì)制作電路板，再重新調(diào)試，直到實(shí)現(xiàn)邏輯功能為止。很顯然，這種設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)周期長，成本高，且成品可靠性差，維修麻煩。利用普通可編程的邏輯器件，雖可減少印刷電路板的設(shè)計(jì)與制作，但在修改該邏輯時仍舊不能避免器件的反復(fù)插拔。
在系統(tǒng)可編程技術(shù)(In-SystemProgrammable，縮寫ISP)，是指在用戶自己設(shè)計(jì)的目標(biāo)系統(tǒng)中或電路板上為重構(gòu)邏輯器件編程或反復(fù)改寫的能力。常規(guī)PLD在使用中通常是先編程后裝配，而采用ISP技術(shù)的PLD則是先裝配后編程，成為產(chǎn)品之后還可以反復(fù)編程。在系統(tǒng)可編程技術(shù)的出現(xiàn)，從實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)了邏輯設(shè)計(jì)師們多年來夢寐以求的“硬件設(shè)計(jì)與修改軟件化”的愿望，使得數(shù)字系統(tǒng)面貌煥然一新。采用ISP技術(shù)后，硬件設(shè)計(jì)變得像軟件一樣易于修改，硬件的功能可以隨時加以修改或按預(yù)定的程序改變組態(tài)。這不僅擴(kuò)展了器件的用途，縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，而且根除了對器件單獨(dú)編程的環(huán)節(jié)，省卻了器件編程設(shè)備，簡化了目標(biāo)設(shè)備的現(xiàn)場維護(hù)和升級工作。ISP技術(shù)還有一個特點(diǎn)是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行邏輯輸入時，輸入與所選器件無關(guān)。因此，在輸入之前可選擇任何一種器件，甚至可以選擇一種“虛擬器件”(VirtualDevice)。在輸入完后，再根據(jù)仿真和適配的結(jié)果選擇器件。
ISPLSI器件是美國LATTICE公司于1992年推出的新一代高密度可編程邏輯器件，容量可達(dá)25000門，具有現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的容量和靈活性。它采用E2CMOS工藝，時鐘頻率可以高達(dá)180MHz，傳輸延時為5ns，低功耗，電擦除，編程內(nèi)容20年不丟失，100%參數(shù)測試，可以加密。器件內(nèi)部有抗“鎖定”電路，以防止出現(xiàn)CMOS器件中可能產(chǎn)生的有害的鎖定效應(yīng)。
其它有關(guān)問題
LED電子顯示屏一般主要由顯示單元、驅(qū)動單元、控制單元、數(shù)傳通信單元、視頻采集單元組成。在顯示單元中，三基色LED管芯為核心器件，對于高質(zhì)量的LED電子顯示屏必須選用高質(zhì)量的LED管芯，對此應(yīng)嚴(yán)格挑選波長及發(fā)光強(qiáng)度一致性好的管子。從LED管芯質(zhì)量上看，日亞公司（日本）、豐田公司（日本）、光磊公司（臺灣）、HP公司的產(chǎn)品質(zhì)量上佳。在驅(qū)動單元中應(yīng)選用低功耗、長壽命、工作范圍寬、驅(qū)動電流大的功率器件，美國TI公司生產(chǎn)的功率器件具有較大的產(chǎn)品優(yōu)勢。在控制和通信單元中，主要為邏輯和時序控制。目前在邏輯電路設(shè)計(jì)上最先進(jìn)的技術(shù)為ISP技術(shù)，美國LATTICE公司的ISP產(chǎn)品具有較大的產(chǎn)品優(yōu)勢。在視頻采集單元中，不僅要考慮高頻信息處理的噪音、畸變問題，還要考慮VGA信號的采樣精度及各種同步信號的同步性能，這方面國內(nèi)北京銀河電腦公司的LED視頻卡質(zhì)量上佳。
檢驗(yàn)LED電子顯示屏的性能，主要應(yīng)考察以下幾項(xiàng)指標(biāo)：
- 顯示分辨率（像素點(diǎn)/平方米）
- 電子屏的可視距離及視角
- 亮度及可調(diào)性、色彩及對比度、一致性及穩(wěn)定性
- 配光純正性，RGB非線性校正（γ校正）
- 灰度：256級
- 幀頻：>60幀/秒
