中心議題：

• LED電子顯示屏真彩顯示技術分析

解決方案：

• 圖像采集技術
• 圖像色彩再現
• 顯示驅動電路
• 亮度控製D/T轉換技術
• 數據重構與存儲技術

自八十年代以來，隨著公共場合信息的增多，建立性能優良、jiagediliandedamianjixinxixuanchuanmeitiyizhishigongchengjishurenyuansuoguanzhudewenti。genjuyingyongchanghedebutong

，yaoqiudexianshixingnengyijiduixianshixitongchengbendeyaoqiudebutong，renmenkeyixuanzebutongdexianshimeiti。kaolvdaoyongyuhuneiwaidedapingmuxianshimeitiduixianshishebeideyanse、亮度、視頻效果
、可靠性、壽命等性能要求比較苛刻。
　　
它(ta)要(yao)求(qiu)顯(xian)示(shi)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)顯(xian)示(shi)出(chu)接(jie)近(jin)於(yu)自(zi)然(ran)色(se)彩(cai)的(de)真(zhen)彩(cai)畫(hua)麵(mian)，並(bing)且(qie)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)顯(xian)示(shi)亮(liang)度(du)，無(wu)論(lun)是(shi)在(zai)白(bai)天(tian)還(hai)是(shi)在(zai)晚(wan)上(shang)，晴(qing)天(tian)還(hai)是(shi)陰(yin)天(tian)，都(dou)能(neng)夠(gou)讓(rang)觀(guan)眾(zhong)清(qing)楚(chu)的(de)看(kan)到(dao)其(qi)內(nei)容(rong)，並(bing)且(qie)能(neng)夠(gou)根(gen)據(ju)外(wai)部(bu)自(zi)然(ran)光(guang)強(qiang)度(du)的(de)變(bian)化(hua)自(zi)動(dong)地(di)對(dui)其(qi)顯(xian)示(shi)正(zheng)在(zai)播(bo)放(fang)的(de)視(shi)頻(pin)節(jie)目(mu)
，具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)性(xing)能(neng)價(jia)格(ge)比(bi)，易(yi)於(yu)維(wei)護(hu)。綜(zong)合(he)上(shang)述(shu)諸(zhu)多(duo)的(de)因(yin)素(su)
，工(gong)程(cheng)技(ji)術(shu)人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)對(dui)磁(ci)翻(fan)版(ban)
、真空像素管、電視牆、LED顯示屏的比較，發現LED作為顯示像素可以很好的滿足上述要求，是一種很好的戶內外顯示屏媒體。
　　
同時，伴隨著科學技術的發展，當今半導體發光二極管的性能達到了新的水平，其光電轉換效率達到10cd/w以上，尤其藍色超高亮LED器件的出現，使得LED器件的光譜覆蓋了自然光的範圍。
　　
因此，利用LED器件製造大型平板顯示屏係統成為LED器件應用的重要領域，進而推動了大型顯示屏係統發展並形成一種產業。用LED器件組成顯示屏的最大特點在於其製造不受麵積限製，可以達到幾十甚至幾百平方米以上，應用於室內外的各種公共場合顯示文字、圖形、圖像、動畫、視(shi)頻(pin)圖(tu)像(xiang)等(deng)各(ge)種(zhong)信(xin)息(xi)
，成(cheng)百(bai)上(shang)千(qian)人(ren)同(tong)時(shi)駐(zhu)足(zu)觀(guan)看(kan)，具(ju)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)廣(guang)告(gao)渲(xuan)染(ran)力(li)和(he)震(zhen)撼(han)力(li)，對(dui)都(dou)市(shi)的(de)社(she)會(hui)活(huo)動(dong)有(you)較(jiao)強(qiang)的(de)氣(qi)氛(fen)渲(xuan)染(ran)作(zuo)用(yong)，美(mei)化(hua)和(he)豐(feng)富(fu)了(le)人(ren)們(men)的(de)生(sheng)活(huo)環(huan)境(jing)。
　　
1、圖像采集技術
　　
LED電(dian)子(zi)顯(xian)示(shi)屏(ping)要(yao)顯(xian)示(shi)真(zhen)彩(cai)圖(tu)像(xiang)
，必(bi)須(xu)首(shou)先(xian)解(jie)決(jue)視(shi)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)實(shi)時(shi)采(cai)集(ji)，將(jiang)模(mo)擬(ni)視(shi)頻(pin)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)為(wei)數(shu)字(zi)視(shi)頻(pin)圖(tu)像(xiang)。早(zao)期(qi)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)利(li)用(yong)視(shi)頻(pin)采(cai)集(ji)卡(ka)和(he)一(yi)些(xie)帶(dai)特(te)征(zheng)口(kou)（Feature-connect）的VGA卡相結合來實現。
　　
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、像素點頻以及顏色查找表的索引地址，在跟蹤CRT圖像時可以通過複製顏色查找表的方法來獲得紅、綠
、藍分離的數字信號。一種方法是用軟件定時複製，另一種是采用硬件竊取技術，後者更為有效、快速。
　　
由於上述這種技術存在著與VGA卡兼容性差
、邊緣不清晰、圖像質量較差等缺點，電子顯示屏所顯示的圖象質量也受到了限製，為此，北京銀河電腦公司於1998年研製開發出LED電子顯示屏專用視頻卡JMC-LED。
　　
該卡基於PCI總線，采用64位圖形加速器，將VGA和視頻功能合二為一
，負責視頻數據與VGA數據的疊加，色空間變換
，從根本上解決兼容性問題。應用全屏分辨率采集，YUV4：2：2無壓縮存儲技術保證視頻圖像的最佳化，視頻窗口采用EST邊緣增強技術，保證縮放後圖像的清晰程度。支持製式為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、像素點頻幾個同步信號提取出來，並將紅、綠、藍三色信號分離出來。數字RGB格式為8：8：8
，各可以產生256級灰度，能滿足電子顯示屏真彩播放的要求。
　　
2、真實圖像色彩再現
　　
全彩LED電子顯示屏的視覺原理與彩色電視機一樣，是通過紅
、綠、藍三種顏色的不同光強實現圖像色彩的還原再現。紅、綠、藍的純正度直接影響圖像色彩再現的視覺效果。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、藍光強之比必須接近3：6：1；
　　
第二、由於人們視覺對紅色的敏感性，要求紅色發光源在空間上要分散分布；
　　
第三、由於人們視覺對紅
、綠
、藍三種顏色光強的不同的非線性曲線響應
，要求不同光強的白光對紅、綠、藍要進行類似電視機裏的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真實性的客觀指標。為了再現真實圖像色彩，在LED電子顯示屏的配光上應滿足下麵一些要求：
　　①紅、綠

、藍三色的波長應分別為：660nm、525nm、470nm左右；
　　②采用4管單元配白光為佳（多管單元也可以
，取決於光強）
；
　　③紅、綠、藍三色的灰度級為256級；
　　④必須采用針對LED像素管的非線性校正。
　　
紅、綠、藍三色配光及非線性校正可以用顯示控製係統硬件實現，也可由播放係統軟件實現。
　　
3
、專用顯示驅動電路
　　
從目前像素管的幾種顯示方式來看
，可分為：①掃描驅動；②直流驅動；③恒流源驅動。對於戶內點陣塊屏，一般采用掃描方式；而對於戶外像素管屏

，要保證所顯示的圖像一致性好
、穩定、高亮，必須采用直流驅動加恒流源方式。
　　
較早的LED電子顯示屏驅動電路大多采用低壓信號的串並轉換CMOS電路和大電流驅動的雙極電路兩塊組成（如74HC595+MC1413/UNL2803、CD4094/MC14094+MC1413
、74HC164+74HC273+MC1413），這種形式的驅動電路存在著焊點多、成本高、可靠性低等問題。
　　
針對這些缺點
，美國TI公司開發生產出TPIC6B595(TPIC6C595)專用集成電路（ASIC），它將串並轉換和大電流驅動合二為一
，這種ASIC具有如下顯著特點：並行輸出驅動能力大，單路驅動電流高達200mA，可直接驅動LED；電流電壓範圍寬

，工作電壓可在5～15V內靈活選用；串行輸入
、移位和鎖存、時鍾輸入端口都設有施密特整形電路

；串並輸出電流大，吸收和供給電流都大於4mA
，級連方便
；數據處理速度高，串行時鍾頻率
，fmax≥25MHz特別適用於多灰度彩色顯示屏的LED驅動。
　　
我國的無錫東大先行微電子有限公司也於1998年生產出與TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095，但價格大為降低。由於TPIC6B595的並行輸出口僅為8位，驅動分辨率較高全彩顯示屏時需要TPIC6B595的數量較大，且256級灰度控製較麻煩。
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為此，美國TI公司研製開發出LED電子屏顯示驅動專用集成電路TLC5901/5902/5903，這種ASIC的優點是：恒流源輸出5～80mA（或10～120mA）
；驅動能力為80mA×16Bits（或120mA×8Bits）
；PWM控製的256級灰度顯示；亮度32級可調；時鍾同步的8位並行數據輸入。該芯片使得256級灰度控製更為簡單
，恒流源方式使得圖像顯示一致性更好，TQFP100的封裝使得驅動板麵積大為減少。
　　
在此基礎上
，TI公司又研製性能更好的LED驅動專用芯片TLC5921。北京華虹集成電路設計公司也研製開發出性能優良的LED專用集成電路9701，這種ASIC具有如下顯著特點：內含8×16×32數據掃描陣列
，實現從靜態至1/32動態掃描
；數據輸入掃描陣列和數據輸出灰度控製分別采用兩個獨立的時鍾；采用8位並行數據輸入和8位並行數據輸出的級連功能；16個數據輸出端

，每個端驅動LED電流可達80mA以上
，每個端數據輸出耐壓大於20V；數據輸出256級灰度

；輸出具有模式選擇端
，可用於奇、偶幀選擇；具有非線性校正控製輸入端。
　　
4
、亮度控製D/T轉換技術
　　
LED電子顯示屏是由許多相互獨立的像素點（發光元）排pai列lie而er成cheng，由you於yu像xiang素su點dian的de分fen離li性xing，決jue定ding了le其qi發fa光guang的de控kong製zhi和he驅qu動dong隻zhi能neng以yi數shu字zi方fang式shi進jin行xing。這zhe些xie像xiang素su點dian的de發fa光guang狀zhuang態tai由you控kong製zhi器qi同tong步bu地di控kong製zhi，獨du立li驅qu動dong。視shi頻pin真zhen彩cai色se顯xian示shi意yi味wei著zhe要yao對dui每mei一yi個ge像xiang素su點dian的de亮liang度du分fen別bie進jin行xing控kong製zhi
，並bing且qie要yao在zai規gui定ding的de掃sao描miao時shi間jian內nei同tong步bu地di完wan成cheng。大da屏ping幕mu是shi以yi數shu以yi萬wan計ji的de像xiang素su點dian組zu成cheng的de
，這zhe使shi得de係xi統tong的de複fu雜za性xing較jiao兩liang值zhi顯xian示shi大da屏ping幕mu而er言yan大da為wei增zeng加jia，並bing對dui總zong體ti的de數shu據ju傳chuan輸shu速su度du提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。給gei每mei一yi像xiang素su點dian設she置zhi一yi個ge常chang規guiD/A顯然是不現實的，必須尋找一種能最大限度降低係統複雜性且性能盡可能高的解決方案。
　　
由視覺原理知道，人對像素點的平均亮度感覺可取決於它的亮/滅占空比。也就是說
，隻要對像素點亮/滅占空比進行調節

，就能實現對亮度的控製。對LED電子顯示屏而言，這意味著隻要將代表像素點亮度的數字轉換為像素點發光的時間（D/T轉換）
，即實現了亮度的D/A轉換。
　　
設屏幕數據刷新的周期為，控製任意像素點亮度的數據為n位二進製數D=bi2i（其中bi=0或1），Ton為相應於D的發光時間，則像素點亮/滅的占空比為：d=Ton/Ts=D=bi2i。該表達式可用可預置減法計數器實現
，但每一像素點配一計數器將使得顯示電路異常複雜。上式改寫為：Ton=Tsbi2i，這意味著可將Ton分成幾個時間段，由於當足夠小時
，幾個分離時間段合成的Ton與總長度相同的連續的Ton其視覺效果是相同的。於是，一般地有，對於n位二進製數據D=bi2i，將分Ts為n段
，並選取適當時間分割函數f(i)，使得第i段Ti=Tsf(i)
，其中0即為此像素點的亮/滅占空比。由於函數f(i)對所有像素點而言可以是共同的，因而上式表明
，隻要用f(i)統一控製各個像素點，就能實現全屏幕所有像素點相互獨立而又同步的D/T轉換。對於單個像素點來說用圖1的電路可實現上式。圖中SFR為8位移位寄存器
，圖為時間分割函數f(i)的波形。
　　
大屏幕顯示驅動電路通常采用“串行移位+鎖存+驅動”的結構
，以期盡量減少數據傳送線。要全屏幕同時實現上式，隻要將所有ST信號統一由f(i)控製即可。當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控製數據中的同權位
，而這可通過預先的數據處理做到。
　　
5
、數據重構與存儲技術
　　
存儲器有兩種組織方式：①組合像素法（PackedPixelMethod）：即畫麵上每個像素的所有位均集中存放在單個存儲體中
；②位平麵法（BitPlaneMethod）：即ji像xiang素su的de每mei一yi位wei各ge自zi存cun放fang在zai不bu同tong的de存cun儲chu體ti中zhong。由you於yu使shi用yong了le多duo個ge存cun儲chu體ti，它ta們men可ke以yi一yi次ci同tong時shi讀du出chu更geng多duo的de像xiang素su信xin息xi。從cong兩liang種zhong存cun儲chu結jie構gou來lai分fen析xi
，利li用yong位wei平ping麵mian結jie構gou有you利li於yu提ti高gaoLED屏的顯示效果。
　　
整個LED顯示屏顯示控製電路結構框圖如圖3所示。其中
，數據重構電路完成RGB數據的轉換，將不同像素的同權位組合在一起，然後存放在相鄰的單元中，從而以位的形式完成整個數據的重新組合。
　　
數據重構電路主要由四大部分組成：8位數據並行傳送電路
；8位並-串轉換電路；8位數據鎖存電路；8位加1計數器。R/G/B各8位數據由經同步處理後的像素點頻打入並行鎖存器

，8位加1計數器輸出進位脈衝LD
，將8位數據同時鎖存到8位並-串轉換電路，由時鍾控製電路完成並-串chuan轉zhuan換huan電dian路lu時shi鍾zhong的de控kong製zhi。數shu據ju經jing過guo重zhong構gou後hou
，一yi個ge存cun儲chu體ti中zhong不bu再zai是shi一yi個ge像xiang素su值zhi，而er是shi不bu同tong像xiang素su值zhi的de同tong權quan位wei。將jiang所suo有you的de同tong權quan位wei存cun放fang在zai一yi起qi
，從cong而er構gou成cheng以yi位wei為wei單dan位wei的de位wei平ping麵mian存cun儲chu結jie構gou。在zai讀du出chu時shi必bi須xu按an相xiang反fan的de規gui則ze取qu出chu各ge像xiang素su的de相xiang鄰lin權quan值zhi。
　　
讀寫地址發生器必須滿足嚴格的時序。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），每片表示一個位平麵，像素經過轉換向同一存儲器寫入時，首先寫0位，再寫1位

，最後寫N位。對於8Col×Row點陣的顯示屏，每個位平麵存有8Col×Row位。存儲器內部組織取決於驅動屏體上像素管的邏輯連線關係。根據存儲器組織，讀地址發生器由列驅動行，再由行驅動位；寫地址發生器則采用由位驅動列
、列驅動行的方式，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
、邏輯電路設計中的ISP技術
　　
在早期的LED電(dian)子(zi)顯(xian)示(shi)屏(ping)顯(xian)示(shi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)中(zhong)，大(da)量(liang)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)常(chang)規(gui)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)
，用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)組(zu)合(he)出(chu)複(fu)雜(za)控(kong)製(zhi)邏(luo)輯(ji)。在(zai)常(chang)規(gui)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)中(zhong)

，當(dang)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)完(wan)成(cheng)後(hou)，須(xu)先(xian)製(zhi)作(zuo)電(dian)路(lu)板(ban)，然(ran)後(hou)安(an)裝(zhuang)元(yuan)件(jian)，調(tiao)試(shi)。如(ru)果(guo)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)邏(luo)輯(ji)功(gong)能(neng)不(bu)符(fu)合(he)要(yao)求(qiu)就(jiu)必(bi)須(xu)重(zhong)新(xin)設(she)計(ji)製(zhi)作(zuo)電(dian)路(lu)板(ban)，再(zai)重(zhong)新(xin)調(tiao)試(shi)
，直(zhi)到(dao)實(shi)現(xian)邏(luo)輯(ji)功(gong)能(neng)為(wei)止(zhi)。很(hen)顯(xian)然(ran)，這(zhe)種(zhong)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)的(de)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)長(chang)，成(cheng)本(ben)高(gao)
，且(qie)成(cheng)品(pin)可(ke)靠(kao)性(xing)差(cha)
，維(wei)修(xiu)麻(ma)煩(fan)。利(li)用(yong)普(pu)通(tong)可(ke)編(bian)程(cheng)的(de)邏(luo)輯(ji)器(qi)件(jian)
，雖(sui)可(ke)減(jian)少(shao)印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)設(she)計(ji)與(yu)製(zhi)作(zuo)
，但(dan)在(zai)修(xiu)改(gai)該(gai)邏(luo)輯(ji)時(shi)仍(reng)舊(jiu)不(bu)能(neng)避(bi)免(mian)器(qi)件(jian)的(de)反(fan)複(fu)插(cha)拔(ba)。
　　
在係統可編程技術(In-SystemProgrammable，縮寫ISP)

，是指在用戶自己設計的目標係統中或電路板上為重構邏輯器件編程或反複改寫的能力。常規PLD在使用中通常是先編程後裝配，而采用ISP技術的PLD則是先裝配後編程，成為產品之後還可以反複編程。在係統可編程技術的出現，從實踐上實現了邏輯設計師們多年來夢寐以求的“硬件設計與修改軟件化”的願望
，使得數字係統麵貌煥然一新。采用ISP技ji術shu後hou，硬ying件jian設she計ji變bian得de像xiang軟ruan件jian一yi樣yang易yi於yu修xiu改gai，硬ying件jian的de功gong能neng可ke以yi隨sui時shi加jia以yi修xiu改gai或huo按an預yu定ding的de程cheng序xu改gai變bian組zu態tai。這zhe不bu僅jin擴kuo展zhan了le器qi件jian的de用yong途tu
，縮suo短duan了le係xi統tong調tiao試shi周zhou期qi，而er且qie根gen除chu了le對dui器qi件jian單dan獨du編bian程cheng的de環huan節jie
，省sheng卻que了le器qi件jian編bian程cheng設she備bei，簡jian化hua了le目mu標biao設she備bei的de現xian場chang維wei護hu和he升sheng級ji工gong作zuo。ISP技ji術shu還hai有you一yi個ge特te點dian是shi采cai用yong係xi統tong設she計ji軟ruan件jian進jin行xing邏luo輯ji輸shu入ru時shi，輸shu入ru與yu所suo選xuan器qi件jian無wu關guan。因yin此ci
，在zai輸shu入ru之zhi前qian可ke選xuan擇ze任ren何he一yi種zhong器qi件jian，甚shen至zhi可ke以yi選xuan擇ze一yi種zhong“虛擬器件”(VirtualDevice)。在輸入完後，再根據仿真和適配的結果選擇器件。
　　
ISPLSI器件是美國LATTICE公司於1992年推出的新一代高密度可編程邏輯器件，容量可達25000門，具有現場可編程門陣列(FPGA)的容量和靈活性。它采用E2CMOS工藝，時鍾頻率可以高達180MHz
，傳輸延時為5ns
，低功耗，電擦除，編程內容20年不丟失，100%參數測試
，可以加密。器件內部有抗“鎖定”電路，以防止出現CMOS器件中可能產生的有害的鎖定效應。
　　
其它有關問題
　　
LED電子顯示屏一般主要由顯示單元、驅動單元
、控製單元、數傳通信單元
、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，對於高質量的LED電子顯示屏必須選用高質量的LED管芯，對此應嚴格挑選波長及發光強度一致性好的管子。從LED管芯質量上看，日亞公司（日本）、豐田公司（日本）
、光磊公司（台灣）
、HP公司的產品質量上佳。在驅動單元中應選用低功耗、長壽命、工作範圍寬
、驅動電流大的功率器件，美國TI公司生產的功率器件具有較大的產品優勢。在控製和通信單元中，主要為邏輯和時序控製。目前在邏輯電路設計上最先進的技術為ISP技術
，美國LATTICE公司的ISP產品具有較大的產品優勢。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

，這方麵國內北京銀河電腦公司的LED視頻卡質量上佳。
　　
檢驗LED電子顯示屏的性能，主要應考察以下幾項指標：

• 　　顯示分辨率（像素點/平方米）
• 　　電子屏的可視距離及視角
• 　　亮度及可調性、色彩及對比度、一致性及穩定性
• 　　配光純正性
  ，RGB非線性校正（γ校正）
• 　　灰度：256級
• 　　幀頻：>60幀/秒