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LED扫描算法整理.docx

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.21M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    1 LED显示屏基本常识
    2 LED屏体部分的原理
    2.1 LED阵列
    2.2 单元板背板电路
    2.3 单元板级联组成箱体
    2.3 接收卡
    2.3 转接卡
    3灰度的产生
    4扫描算法
    5 附录
    LED 扫描算法整理 LED 扫描算法整理 整理时间 2011-10-24 1
    LED 扫描算法整理 1 LED 显示屏基本常识 点阵式的 LED 显示屏能灵活显示各种形式的信息，对它的研究更具有普遍意义，所以本 文讨论的是点阵式 LED 显示屏的扫描原理和图像质量。 LED 显示屏分类为同步 LED 显示屏和异步 LED 显示屏，区别是看显示屏是否可以同步显 示计算机的 VGA 信号、DVI 信号或是电视的 RF 信号、AV 的视频信号。 扫描：LED 显示屏多数是采用扫描点亮方式工作的，即任意时刻并不是所有的 LED 都点 亮，而只是按行点亮一部分，各个点亮行交替的频率很快，以使人眼视觉分辨不出这种闪烁， 呈现在眼前的就是一副稳定的图像。通常是按照行来分割屏体的，有的屏体在完成一副完整 图像的显示需要在时间上分 16 次完成，而有的则分为 4 次完成，也有分 2 次的，甚至有不 分的，所有象素同时点亮，这时扫描就没有意义，就成为静态锁存形式的屏了。 灰度：常用的灰度实现方法是占空比方式。这一点的依据来源于 HVS（人眼视觉系统） 的特性：人眼视觉对于光的刺激从感觉上会有一段残留时间，在该段时间内，若有别的光刺 激到达视野内的其他场所，从感觉上会产生与前面的光线同时到达的效果，假如后续的光刺 激到达同样的场所，其感觉的强度会被叠加（被积分）。 占空比：将 LED 管恒流驱动，如果在上述时间间隔内，以宽度不同的一系列脉冲控制 LED 发光，人眼感觉到的光强就是这一系列光刺激强度的和。LED 所具有的快速响应特性可 以使脉冲频率高达数十兆赫兹。因此控制 LED 点亮所占的时间比，即可控制人眼感受到的亮 度。例如用 1MHz，占空比为 25%，峰值电流为 100mA 的脉冲去驱动 LED，与用 25mA 的直流 驱动相比其感受到的亮度是相同的。 2
    LED 扫描算法整理 2 LED 屏体部分的原理 2.1 LED 阵列 屏体的控制电路使每个象素都独立可控；但是实际的屏体是由数量巨大的 LED 单管组成 的阵列，所以阵列的驱动设计还需要考虑其它一些因素，比如总是希望具有接口简单、时序 简单、易于级联等特性。图 2.1 表示了阵列中一行 LED 控制的原理。 图 2.1 一行 LED 控制原理 可以看出每个 LED 单管都是独立可控的，当开关闭合时，电流流经限流电阻、LED、开 关到地，从而 LED 点亮；开关断开时，LED 熄灭。LED 阵列就由相应的开关阵列控制，控制 信号由虚框中的控制逻辑产生。控制逻辑依据接口信号的意义，独立控制各个 LED。开关阵 列可以采用各种形式，一般用电子开关（三极管或 MOS 管），甚至可以是控制逻辑中的一部 分。接口信号可以是串行逻辑或是并行逻辑。串行逻辑不但接口简单，而且容易级联，组成 更大的阵列，所以使用更为广泛。 2.2 单元板背板电路 单元板背板有标准的尺寸，串行接口，可以级联，并采用了扫描点亮方式。 按照不同的线数进行分类，将若干行 LED 组成一组，每次点亮一行，使用时将各个行顺 序点亮的，如果以 16 行为一个循环，则这种屏体就是 16 线屏体，同理如果是 4 行一个循环， 就称为 4 线屏体。背板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的同时更新屏体显示（详 见 MBI 5024 Datasheet）。下面列举了 4 线三基色单元板背板的形式和接口，如图 2.2： 3
    LED 扫描算法整理 图 2.2 4 线三基色单元板背板的形式和接口 背板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 RES。表 1.1 简要介绍了接口信号的作用。 表 1.1 单元板背板接口信号 其原理可以用图 2.3 来说明，数据线 DATA 代表其中一种基色的数据如红色，另外的两 路基色与前者具有相同的结构，其中除数据信号外，其它所有信号都与下图中的信号并联， 而 3 片 74139 也可以只用一片。 4
    LED 扫描算法整理 图 2.3 背板信号 若干说明： 1.串行数据通路是使用一连串的 74595 来实现的，74595 具有串行输入输出，内部有两 组寄存器，分别用来存储串行和并行数据，符合对串行结构屏体的要求。当然实际的芯片可 以不是 74595 而是其它性能更好的 LED 专用驱动芯片，具有非常好的恒流性能，但原理却是 相同的。 2.行选是通过 74138 或 74139 等译码器来实现。模块的使能接到了译码器的使能端，无 效时，所有行管都截止，屏体 LED 熄灭。 3.为了支持级联，信号进入模块后首先由 74245 隔离（图中未画出），然后分为两路， 一路用于驱动本模块显示电路，另一路用于级联，这样可以使各个信号的延时减小，使模块 的级联数增加。 根据驱动芯片数量判断扫描线数：还可以看出对于同样的 16 行 LED，如果使用 16 线屏 体，需要横向一组 74595，而使用 4 线屏体，则需要 4 组 74595，可见线数越小，屏体结构 越复杂。例如双基色 16 线模块两层 PCB 就足够了，而常用的 3 基色 4 线屏体要 4 层 PCB 板 才能布通。 另外一点，考察驱动模块正常工作时的亮度，在单位时间内 16 线的屏体的每行只能点 亮 1/16 的时间，而 4 线的屏体却点亮 1/4 的时间，因此从宏观的效果上来看，16 线屏体的 亮度要小于 4 线屏体亮度。所以线数越少，相对同样的 LED 构成的屏体，亮度越高。 5
    LED 扫描算法整理 2.3 单元板级联组成箱体 屏体是使用单元板组装成的，在水平方向单元板级联；在垂直方向，单元板并联。级联 的单元板对外部只有一组接口。整个屏体的接口就是垂直方向上的一组接口。例如要构造 192×64 的显示屏，其屏体可以采用 32×16 的 16 线单元板以图 2.4 所示的方式构造，注意 图示是屏体的背面，正面是 LED 点阵。 图 2.4 单元板级联成 LED 箱体 2.3 接收卡 单元板构成了屏体，而接收卡则产生用于驱动屏体的信号，来使屏体显示需要的图像。 仍然以上一节的屏体为例，如果将纵向 4 组信号线中除了数据线外其它线都并联到一起，则 屏体的控制信号为：  CLK：上屏时钟  DATA0～DATA3：与时钟同步的 4 根数据线  STR：锁存  RES：使能  ABCD：行选信号 控制可以按下面的时序进行： 1.通过 192 个时钟上升沿将数据串行输入屏体 2.禁止 RES，熄灭屏体 3.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器 4.同时切换行选信号 ABCD，使数据显示到新的一行 5.使能 RES，点亮屏体，此时新的一行点亮，原来一行熄灭 6.重复过程 1～5，当行选到第 16 后，下一次选择第一行 整个过程可以用图 2.5 来表示： 6
    LED 扫描算法整理 图 2.5 背板信号 另外还可以其它方式控制，如将纵向 4 组信号中的前两组的时钟并联到一起，后两组的 时钟并联到一起，再将除数据外的所有其它信号并联在一起。分别将第 1、第 3 组和第 2、 第 4 组的数据并联成为两路数据。则屏体控制信号为：  CLK0，CLK1：两路时钟  DATA0～DATA1：可以分别与两路时钟同步，哪路时钟起作用，数据就输入相应的组  STR，RES，ABCD 这样扫描方式也有了相应的变化： 1.CLK1 保持不变（恒高或恒低），CLK0 的 192 个时钟上升沿将数据串行输入屏体的 第 1、第 2 组，之后 CLK0 保持不变 2.CLK0 保持不变（恒高或恒低），CLK1 的 192 个时钟上升沿将数据串行输入屏体的 第 3、第 4 组，之后 CLK1 保持不变 3.禁止 RES，熄灭屏体 4.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器 5.同时切换行选信号 ABCD，使数据显示到新的一行 6.使能 RES，点亮屏体，此时新的一行点亮，原来一行熄灭 7.重复过程 1～6，当行选到第 16 后，下一次选择第一行 从上面的方案看出同样的屏体扫描方式却可以不同的扫描方式，时钟的增加换来了数据 的成倍减少。这里有着固有的联系，文章下面的部分将分析并阐述这些关系。 2.3 转接卡 转接板是将控制板发出的信号分成若干个支流的卡板 也叫做分线板，一般情况下，根 据 LED 电子屏本身模组纵向数量决定的，也就是说，您的 LED 电子屏若是两排以上（含两排） 都要使用转接板，但是也有的 LED 显示屏控制卡厂家在生产卡的时候，在卡本身上就带 8 个分线柱（最多）。 7
    LED 扫描算法整理 3 灰度的产生 常用的灰度实现方式采用占空比方式。举一个例子说明这个问题。例如实现 256 级灰度显示，对于 4 线屏体，可以采用下面两种扫描方法实现灰度： 方法 1：将每帧时间分成 8 段，每个时间段都要扫描一遍屏体，各个段的时间长度按照 1:2:4:8:16:32:64:128 来安排。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。 这样的扫描方式称为行优先扫描，就是先扫行再扫灰度。对于一个灰度级为 n，线数为 s 的 屏。 方法 1： 1.顺序扫描第 1 级灰度级的第 1 线到第 s 线 2.顺序扫描第 2 级灰度级的第 1 线到第 s 线 3.。。。 4.顺序扫描第 n 级灰度的第 1 线到第 s 线 具体扫描每一级灰度的过程如下： 1.各时钟先后将数据串行移入对应的屏体 2.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器 3.同时切换行选信号，使数据显示到新的一线 4.重复过程 1～3，直到最后一线 5.扫描下一级灰度 方法 2： 将每帧时间分为 4 段，每段时间内扫描屏体的一线。每段时间内再亮时间按照 1:2:4:8:16:32:64:128 来安排，在每线过程中一次将所有灰度扫描下一线，这种扫描方式 称为灰度优先扫描，一般的过程如下： 1.顺序扫描第 1 线的第 1 级灰度到第 n 级灰度 2.顺序扫描第 2 线的第 1 级灰度到第 n 级灰度 3.。。。 4.顺序扫描第 s 线的第 1 级灰度到第 n 级灰度 具体扫描每一线的过程如下： 1.各时钟先后将第一级灰度的数据串行移入对应的屏体 2.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器 3.各时钟先后将第 2 级灰度的数据串行移入对应的屏体 4.通过锁存信号将串行数据存入并行寄存器 5.重复过程 3～4，直到最后一级灰度 6.切换行，扫描下一线 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，两次 STR 之间的间隔时间就是一行 LED 的点亮时间，下文中以 STRt 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 RES t 表示 RES 的有效时间。由此可以看出 STR 时序和 RES 时序是扫描方法的两个重要参数。 8
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