LED显示屏实现高质量图像显示的扫描算法分析

王宇,朱为,堵国良,史小军

(东南大学电子工程系,南京210096)0

摘要:介绍了LED显示屏驱动控制模块的原理~接口和性能参数,提出显示屏的屏体分块方法和灰度显示方法,提取了用于显示屏设计中驱动控制方式的若干算法参数,分析并阐明了这些算法参数~显示屏设计要求及驱动模块的性能指标三者之间的关系,并提出了三个设计约束关系式,从而拟定了显示屏的驱动控制方式 该算法在实际产品设计中规范了设计方法,缩短了研发周期 

关键词:LED显示屏;显示驱动模块;扫描算法

随着LED显示屏的广泛应用,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 现阶段LED显示屏的发展趋势是向高分辨率~高灰度级和与计算机同步显示等几个方向发展 高性能的要求必然带来设计上的困难,扫描算法的设计更是其中的重要一环 本文在这方面做了较为系统的研究,以灰度显示原理为切入点,以驱动模块性能参数和显示效率为约束条件,找到了一种较为实用的扫描算法 

lLED显示屏显示驱动模块的原理和接口

显示驱动模块将若干行LED组成一组,采用扫描方式通过设置行选信号将每组中各行LED顺序点亮 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同时更新屏体显示O驱动模块按照分组的大小可分为16行一组 又称为116

扫描模块;8行

一组(18扫描)和4行一组(14

扫描)几种;按照

LED基色的种类可以分为 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O如14

扫描三色LED驱动

模块形式和接口如图1所示,

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RESO表1简要介绍了接口信号的作用.

驱动模块的性能参数主要有以下两个, fmax,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 计为fmaxO

 Mmax,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MmaxO由于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 定义显示屏的场频即每秒钟刷新次数为FO一般来说F越大 显示效果越好 而CLK的频率就越高O

 LED显示屏的扫描算法参数

一个LED显示屏的设计参数有屏宽W(象素) 屏高H(象素) 场频F(Hz) 基色 色彩灰度级等O一般实现的灰度都为2的指数幂级 故可以表示为2n级灰度O一个宽为W象素 高为H象素的LED显示屏的驱动模块可以按照图2的方式组织,

图中每个方格代表一个驱动模块 屏体进行了横向分割以保证模块级联数不超过Mmax 级联的驱动模块对外部只有一组控制接口 通常将纵

向相邻的几组级联模块的时钟并联 使几组级联模块的数据在一个共同的时钟控制下并行移入屏体 而整个显示屏则由多个分时时钟控制 每个时钟控制一组级联模块O数据信号在各组级联模块间是复用的 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O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O全屏共用一组行选信号~STR信号和RES信号O显示过程为首先各分时时钟先后起控将数据串行移入对应的分块屏体 然后设置行选信号选择要显示的行 并同时使STR信号有效 这样即完成了每组中此行的显示 重复这个过程顺序显示每组中的其它行 即完成了屏体的一次扫描O

使显示屏实现带灰度的图像是通过控制各象素点亮时间的不同来实现的 如果在每一段定长时间内各个LED点亮的时间不同 那么当连续扫描后 将反应出每点的灰度不同O例如实现28即256级灰度显示 将每帧时间分成8段 各个时间段内点亮LED时间的长度按照1=2=4=8=16=32=64=128来安排O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O

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 STR信号总是与行选择同时改变 行选信号的改变标志着一行数据扫描的结束,所以两次STR之间的间隔时间就是该行的点亮时间,下文中以tSTR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tRES表示RES的有效时间0由此可以看出决定屏体扫描方式的参数可以归纳为:

D分时时钟数:即连接到屏体模块的分时起控的时钟信号的数量,定义为C0

@横向分块数:即屏体横向分割所得的分块数量,定义为DV0

@STR时序:即tSTR在显示各级灰度图像时如何控制0

@RES时序:即tRES在显示各级灰度图像时如何控制0

3

扫描算法的三个约束式

1)模块级联约束式

对于象素宽度为W的LED显示屏,其每个单元模块宽为WM象素,最大级联数Mmax,如果WM>Mmax<W,就需要对屏体横向分块,设屏体横向分DV为块,DV为正整数,则每块的宽度WF为:

WF=

W

DV

DVEN+(1)

同时每块的宽度不能超过Mmax个驱动模块总的

象素宽度,即WF<WM.Mmax,由此可得:W

WM-DV

SMma:DVEN+(2)

上式是LED显示屏扫描算法设计中的一个重要原则,可称作模块级联约束式0

2)上屏时钟约束式

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+~+128=2550若显示屏的场频为F,则扫描一帧数据的时间为1F,必须在1255F

时间内完成一级

灰度图像的扫描,数据移位时钟可能超过fmax0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tSTR不变的情况下通过减小tRES来缩短LED的等效点亮时间0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tRES为18tSTR,第二级灰度时调整tRES为14

tSTR,第四级为12,即tRES按照18=14=12

=1=2=4=8=16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1

34

F时间内完成

一级灰度的扫描就可以了,但这种方法带来弊端是LED驱动模块的亮度损失0从以上论述中可以看出第一级灰度的tSTR与tRES的比值对tSTR和tRES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2x0对于实现2n级灰度的显示屏,可以用两个以:为变量的比例式来描述tSTR和tRES在各级灰度之间的比例关系:

KSTR,n(:)=pO=p1=p2=~=pn-1

其中pk=1pk=2<(Lk-xkS:<nOS:<k

OSk<n,kENOS:<n,:EN

(3)

KRES,n(:)=sO=s1=s2=~=sn-1

其中

sk=2k-x

OSk<n,kENOS:<n,:EN

(4)

式(3)和式(4)的意义为,要实现2n级灰度显示,选定一个:,即可决定一种tSTR和tRES的控制时间比例,而参数k则表示对应的2k级灰度0举例来说如要实现n=8即256级灰度显示,当:=O时可得在扫描一帧图像中各级灰度对应的的时间比例为KSTR,8(O)=1=2=4=8=16=32=64=128,tRES的时间比例为KRES,8(O)=1=2=4=8=16=32=64=128;当:=3时可得各级灰度对应的tSTR的时间比例为KSTR,8(3)=1=1=1=1=2=4=8=16,tRES的时间比例为KRES,8(3)=

1

8

=14=1

2

=1=2=4=8=160式(3)和式(4)中比例项为1的项对应的时间可理解为STR信号的单位间隔时间,也是此种算法中tSTR的最小值,这个时间是:的函数,记为tt,n:(:),屏体扫描方法要求在tt,n(:)时间内必须将一行数据全部送上屏体0用单位时间tt,n(:)乘以式(3)和式(4)中的各比例项就可以求出每个2m级灰度所对应的STR间隔时间和RES有效时间,分别记为tSTR(m)和tRES(m),讨论m:

1)当时:Sm<n时,tSTR=pm.tt,n(x)=2m-x,tt,n(x),tRES=sm.tt,n(:)=2m-x.tt,n(:)02)当时OSm<:时,tSTR=tt,n,tRES=

sm.tt,n(:

)=2m-x.tt,n(:)0即:tSTR(m)=

tt,n2m-x

 tt,n(I)O m<I

I m<I

,mEN(5)

tRES(m)=2m-x tt,n(I)O m<n,mEN(6)

由式(5)和式(6)可知,如果求出tt,n(I),就可

求出各级灰度对应的tSTR和tRES,如果驱动模块为1S

扫描,那么显示一级灰度的图像需要的最短时

间为S-tt,n(I),由此可得出显示所有灰度即一帧

图像的时间为S 

 n-1

m=O

tSTR(m),上文提到这个时间

为1F,则有下式成立,S  n-1

m=O

tSTR(m)=

1

F(7)

可求出tt,n(I),

tt,n(I)=

1

F S (I-2n-x-1)

(8)

若LED显示屏的分时时钟数为C,在数据上屏时C个时钟先后起作用,设上屏时钟频率为f,每个周期将一组数据并行锁入对应的模块,则将一行数据锁入模块的时间为1f

-WF-C,锁入一

行数据之后STR信号有效一次,上文讲到tSTR的最小值为tt,n(I),则应有下式成立,

1

f

 WF C tt,n(I)即

f2WF C S F (I-2n-x-1)(9)由于LED驱动控制模块的限制,上屏时钟要小于fmax,所以设计时要选取合适的F,WF,C和I使之满足,

WF C S F(I-2n-x-1) fmax(1O)上式是LED显示屏扫描算法设计中的另一个重要原则,可称作上屏时钟约束式,

3)点亮效率约束式

由上述分析可知,当一种扫描算法显示其最大灰度时,LED的点亮时间只占总显示时间的一部分,定义这个点亮时间与总显示时间的比值为显示屏的点亮效率,它是I的函数,记为7(I),由式(6)可知一帧最大灰度图像对应的LED的点亮

时间是S 

 n-1

m=O

tRES(m),同理由式(5)可知一帧图

像总显示时间是S  n-1

m=Ot

STR

(m),从而可以计算出

点亮效率为,

7(I)=

S 

 n-1

m=Ot

RES

(m)S 

 n-1

m=O

t

STR

(m)

即7(I)=2n-x-12x

I-2n-x-1

(11)

从上式可以看出I取值越大,点亮效率越低,显示屏亮度越暗,在设计中通常规定一个最低

可接受的点亮效率7min,式(3)和式(4)中的需满足

7(I)27min

即2n-x-12x

I-2n-x-1

27min(12)

上式是LED显示屏扫描算法设计中的第三个重

要原则,可称作点亮效率约束式,

将合适的I,F,n,S代入式(8)即可求出tt,n(I),再将上述结果代入式(5)和式(6)就可以计算出相应的tSTR(m)和tRES(m),从而可以得到STR信号和RES信号的控制时序了,

4

总结

设计给定要求的LED显示屏,在参数的选择上,应仔细考虑C以使硬件设计简化;灰度级2n越大越有利于色彩的表现和后期校正;F的选择要使屏体显示不闪烁;DV的选择要便于算法的描述和屏体比例与结构的合理,选取合适的F~DV~C和I,使之同时满足驱动模块级联约束式,上屏时钟约束式和点亮效率约束式,进而就可以拟定合适的扫描算法,

应用此算法在实际工程中设计64O象素宽,512象素高,单基色4O96级灰度(n=12)的全彩色LED显示屏,采用四分之一扫描(S=4)的显示驱动模块,考虑显示屏的点亮效率,取I=7此时点亮效率为84.2%,较为合理,为使显示屏不闪烁取场频F为12O~Z,根据以上参数计算当WF=64O~C=1时上屏时钟为11.7M~Z,与fmax为1OM~Z相比频率略高,于是考虑将屏体横向分割,取DV=2即将屏体横向分为等宽的两部分,此时上屏时钟为5.8M~Z,较为合理,同时驱动模块级联数为2O,在允许范围之内,使用以上参数设计的全彩色LED显示屏取得了良好的效果,