一種基于模擬PWM的全彩色LED顯示屏

李相國(guó)，姚曉魁，趙廣河

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引 言

發(fā)光二極管（LED）具有色彩鮮艷、亮度高、壽命長(zhǎng)及可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)［1］，因而LED顯示屏在戶(hù)外多媒體廣告、體育場(chǎng)館賽事播報(bào)、市政廣場(chǎng)及城市亮化工程、以及商場(chǎng)購(gòu)物中心等眾多場(chǎng)合獲得廣泛應(yīng)用。從早期的單色發(fā)展到彩色全彩色，從簡(jiǎn)單的文本顯示發(fā)展到復(fù)雜的圖像視頻顯示，畫(huà)面越來(lái)越完美，功能越來(lái)越強(qiáng)大。

根據(jù)人眼視覺(jué)系統(tǒng)的三基色原理，全彩色LED顯示屏中每一個(gè)像素由紅綠藍(lán)3種顏色的LED組成，并通過(guò)調(diào)節(jié)3種LED的發(fā)光亮度來(lái)合成人眼視覺(jué)上的任意顏色［2］。理論上，LED的發(fā)光亮度與流經(jīng)的前向電流大小成正比，但是，隨著電流的變化，不但發(fā)光亮度有改變，色度也會(huì)發(fā)生偏移［3］。因此，在全彩色LED顯示屏設(shè)計(jì)中，不適合采用直接改變LED電流大小方式來(lái)調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度，而普遍采用恒流驅(qū)動(dòng)但改變LED通斷時(shí)間的方式，利用人眼視覺(jué)系統(tǒng)的暫留效應(yīng)，從而產(chǎn)生亮度改變的視覺(jué)效果。這種調(diào)節(jié)通斷的方法可以采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于全彩色LED顯示屏需要對(duì)每一個(gè)LED進(jìn)行獨(dú)立的亮度控制，而在傳統(tǒng)的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方案中，由于顯示屏中LED數(shù)以萬(wàn)計(jì)，因此對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)芯片需求量較大，使得顯示屏的功耗及成本較高；而在傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)方案中，由于對(duì)LED采用分時(shí)導(dǎo)通方式，因此可能存在閃爍問(wèn)題，并犧牲掉部分亮度范圍。

近幾年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文在分析比較傳統(tǒng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)與動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)功能靈活的特點(diǎn)，提出一種基于模擬PWM功能的全彩色LED顯示屏方案。在該方案中，每個(gè)LED都對(duì)應(yīng)一個(gè)用于信息存儲(chǔ)及通斷控制的D觸發(fā)器，陣列中所有D觸發(fā)器構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)陣列，對(duì)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行信息更新就可以改變屏幕LED的通斷狀態(tài)，而按照每個(gè)像素PWM二進(jìn)制序列串的值對(duì)存儲(chǔ)陣列進(jìn)行周期有序的掃描及信息更新，就可以對(duì)每一個(gè)LED實(shí)現(xiàn)PWM控制功能。實(shí)際上是利用D觸發(fā)器的狀態(tài)保持功能，并結(jié)合掃描方式來(lái)實(shí)現(xiàn)全部的PWM波形，從而代替實(shí)際的PWM硬件芯片。本文對(duì)該方案的組成及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)掃描控制器進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)及可行性進(jìn)行了分析。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of the system

該方案的系統(tǒng)組成如圖1所示，它由數(shù)據(jù)處理模塊和顯示驅(qū)動(dòng)模塊組成，兩個(gè)模塊通過(guò)雙端RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)處理模塊是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像／視頻數(shù)據(jù)，并依次對(duì)每幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理、像素灰度值的PWM序列化展開(kāi)與格式重組、寫(xiě)入雙端RAM等步驟；它僅對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，若無(wú)新數(shù)據(jù)則處于等待狀態(tài)。顯示驅(qū)動(dòng)模塊主體是一個(gè)LED陣列，且每個(gè)LED均對(duì)應(yīng)一個(gè)D觸發(fā)器，用于信息存儲(chǔ)及LED通斷控制，并通過(guò)一個(gè)掃描控制器周期循環(huán)地從雙端RAM中讀取掃描數(shù)據(jù)然后寫(xiě)入LED陣列對(duì)應(yīng)單元的D觸發(fā)器，從而用模擬手段實(shí)現(xiàn)對(duì)全部LED的PWM亮度控制功能。

在該方案中，數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)信號(hào)處理相關(guān)的所有工作。比如，對(duì)LED的亮度及色度校正處理，傳統(tǒng)方案一般直接啟用PWM驅(qū)動(dòng)芯片的校正功能，本方案通過(guò)軟件處理方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正處理。此外，軟件處理方式具有相當(dāng)?shù)撵`活性，可以方便地添加新功能及算法更新，比如，可以根據(jù)傳感器的輸入對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)顯示屏亮度匹配環(huán)境變化。從兩個(gè)模塊的工作模式看，數(shù)據(jù)處理模塊僅在有新數(shù)據(jù)時(shí)工作，而顯示驅(qū)動(dòng)模塊則是周期循環(huán)地工作。因此，兩個(gè)模塊之間任務(wù)分割清晰，從而使得兩個(gè)模塊可以獨(dú)立工作。

3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)PWM序列化與重組、以及寫(xiě)入雙端RAM等步驟，其工作流圖如圖2所示。其僅在新數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)觸發(fā)一次完整的數(shù)據(jù)處理流程，若無(wú)新數(shù)據(jù)則處于等待狀態(tài)。

3.1 校正處理

由于LED芯片、外圍電路以及工作條件等方面存在個(gè)體及局部差異因素，使得陣列中不同LED在發(fā)光特性方面可能存在差異，主要包括亮度和色度兩個(gè)指標(biāo)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一種顏色LED，它們對(duì)于相同的數(shù)值驅(qū)動(dòng)可能表現(xiàn)出發(fā)光亮度與發(fā)光色度等方面的不同，即LED面板陣列可能存在均勻一致性方面的問(wèn)題。因此，在LED顯示屏的設(shè)計(jì)與使用過(guò)程中需要進(jìn)行亮度校正與色度校正處理［4－5］。

圖2 數(shù)據(jù)處理模塊工作流程圖Fig.2 Flowchart of the data processing module

亮度與色度的物理含義截然不同，但是，根據(jù)人眼視覺(jué)系統(tǒng)的三基色原理，通過(guò)三基色的不同比例混合可以產(chǎn)生人眼視覺(jué)上的其它顏色，反過(guò)來(lái)說(shuō)，假如某個(gè)LED發(fā)光時(shí)的色度發(fā)生了偏移，則可以看作是標(biāo)準(zhǔn)三基色LED以某種亮度比例混合的結(jié)果。因此，亮度校正和色度校正的含義不同但又密切聯(lián)系在一起，實(shí)質(zhì)上都是針對(duì)選定基準(zhǔn)進(jìn)行的亮度校正，其中，亮度校正以單個(gè)LED為基本單元進(jìn)行校正，而色度校正以像素為基本單元對(duì)三色LED進(jìn)行聯(lián)合亮度校正。已有研究者提出了多種校正算法及方案［6－9］，這里不再展開(kāi)論述。

經(jīng)過(guò)校正系統(tǒng)的測(cè)量及分析處理后，即可獲得校正系數(shù)并用于校正處理。如前所述，傳統(tǒng)硬件PWM驅(qū)動(dòng)方案一般啟用PWM芯片提供的“點(diǎn)校正”功能［10］。本方案把校正處理移到前端的數(shù)據(jù)處理模塊中，采用軟件處理方式實(shí)現(xiàn)，這樣可以靈活地選用校正算法，也可以方便地進(jìn)行算法更新及添加新的功能，比如添加γ校正功能［11］。

值得說(shuō)明的是，校正處理針對(duì)面板陣列中不同LED在各自恒流工作時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的差異問(wèn)題，對(duì)各自驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償處理，使得最終顯示效果保持一致；由于并不能調(diào)節(jié)LED本身及外圍電路的參數(shù)，它屬于事后補(bǔ)償措施。以亮度校正為例，要實(shí)現(xiàn)所有LED亮度一致，必然需要以發(fā)光亮度最低的LED為基準(zhǔn)，相應(yīng)地下調(diào)其他LED的對(duì)應(yīng)數(shù)值，即亮度校正會(huì)引起亮度損失；同時(shí)，盡管亮度校正不會(huì)引起數(shù)據(jù)溢出，即數(shù)據(jù)位數(shù)保持不變，但經(jīng)校正LED的驅(qū)動(dòng)數(shù)值減小，有效量化階次也相應(yīng)減少，從量化角度看，量化階次減少對(duì)應(yīng)信噪比變差，而且，LED之間的量化差異可能影響視覺(jué)效果。因此，在顯示屏裝配前需要進(jìn)行元器件篩選，盡量從源頭上提高LED的一致性。

后來(lái)等到宮寶田護(hù)主再回北京時(shí)，已經(jīng)物是人非了，昔日的京城武林落得一片凄涼，宮寶田不知道是出于傷感還是什么，于1905年稱(chēng)病離開(kāi)宮廷，回到山東老家，從此深居簡(jiǎn)出，16年不談朝廷江湖，更不在人前炫耀自己的功夫。

3.2 掃描數(shù)據(jù)生成

數(shù)據(jù)處理模塊最主要的任務(wù)是生成顯示驅(qū)動(dòng)模塊的掃描數(shù)據(jù)，這通過(guò)兩個(gè)步驟來(lái)完成。首先，把圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制序列串，其中‘1’的數(shù)目等于圖像數(shù)據(jù)的數(shù)值大小。比如，對(duì)于8位整型數(shù)據(jù)，它最大數(shù)值為255，則把每個(gè)數(shù)據(jù)分別展開(kāi)為一個(gè)255長(zhǎng)度的二進(jìn)制序列串，如下面所示。

上面的展開(kāi)方式及表達(dá)式可以稱(chēng)作線(xiàn)性PWM（LPWM），即序列串中‘1’從起始位置連續(xù)分布。這意味著絕大多數(shù)LED在每個(gè)PWM掃描周期開(kāi)始時(shí)導(dǎo)通而在掃描周期結(jié)束時(shí)關(guān)閉，即LED陣列的工作狀態(tài)出現(xiàn)整體性周期起伏，給電源系統(tǒng)帶來(lái)很大壓力。為了緩解這個(gè)問(wèn)題，可以將PWM序列中‘1’打散，比如二值加權(quán)PWM（BPWM）和譜增強(qiáng)型PWM（ES－PWM）［12］。

然后，對(duì)得到的PWM序列串重組，重組數(shù)據(jù)格式與顯示驅(qū)動(dòng)模塊的工作模式相對(duì)應(yīng)。顯示驅(qū)動(dòng)模塊的工作特點(diǎn)是周期性地對(duì)LED陣列進(jìn)行逐行掃描，并把每行像素中的紅綠藍(lán)三色LED當(dāng)作依次排列的三行LED對(duì)待。因此，在數(shù)據(jù)重組時(shí)，按照LED的行次序進(jìn)行，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)的PWM序列展開(kāi)及重組示意圖Fig.3 Illustration of data PWM expansion and reorganization

圖3中各個(gè)參數(shù)的含義分別為：SC表示LED陣列中每一行的LED個(gè)數(shù)，即陣列的列數(shù)；SA為陣列中單色LED的個(gè)數(shù)，即像素行數(shù)乘以像素列數(shù)；DW表示掃描時(shí)的數(shù)據(jù)寬度，即重組時(shí)每DW位作為一組；PSA表示每一行生成的數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)，它等于SC／DW；PSB表示每一位生成的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，它等于3×SA／DW；PSC表示全部數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，它等于255×PSB。

數(shù)據(jù)重組依照序列串位次序進(jìn)行，以?huà)呙钄?shù)據(jù)寬度DW為基本單位，DW也等于雙端RAM的數(shù)據(jù)寬度。在每一位數(shù)據(jù)重組時(shí)，按照行的次序進(jìn)行重組，且三色LED交織進(jìn)行；首先對(duì)藍(lán)色分量的第一行進(jìn)行重組，其次是綠色分量的第一行，然后是紅色分量的第一行，之后轉(zhuǎn)入藍(lán)色分量的第二行，依次類(lèi)推：在每一行重組時(shí)，依次把DW位組成一個(gè)數(shù)據(jù)單元后連續(xù)存放；待全部重組完成后，把得到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙端RAM，并從起始位置開(kāi)始存儲(chǔ)。完成一次掃描數(shù)據(jù)生成后，等待下一幀數(shù)據(jù)的到來(lái)。

4 顯示驅(qū)動(dòng)模塊

顯示驅(qū)動(dòng)模塊是LED顯示屏的主體，它由LED陣列和掃描控制器組成，并通過(guò)掃描控制器對(duì)LED陣列的周期循環(huán)掃描實(shí)現(xiàn)圖像／視頻顯示。

4.1 LED陣列結(jié)構(gòu)與原理

LED陣列中的紅綠藍(lán)三色LED采用如圖4（a）所示倒“品”字型結(jié)構(gòu)；電路連接如圖4（b）所示，其中，每一像素行被當(dāng)作獨(dú)立且連續(xù)的3行LED；LED單元有兩種實(shí)現(xiàn)方式，如圖4（c）所示。LED陣列通過(guò)地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)接收掃描控制器的輸入，其中，高位地址總線(xiàn)經(jīng)過(guò)地址譯碼器生成陣列的行地址信號(hào)，低位地址總線(xiàn)接入多路分解器的選通信號(hào)，并生成（分組）列譯碼地址信號(hào)，行地址信號(hào)與列地址信號(hào)兩兩經(jīng)過(guò)與門(mén)后用于LED單元組的選通，接入相應(yīng)組D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端；數(shù)據(jù)總線(xiàn)輸入經(jīng)過(guò)多路分解器后生成相應(yīng)列（組）單元的數(shù)據(jù)輸出，每一列輸出接入該列LED單元D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端。由于使用D觸發(fā)器控制LED通斷，每組LED在下一次掃描到來(lái)之前保持狀態(tài)穩(wěn)定，消除了傳統(tǒng)掃描法常見(jiàn)的閃爍問(wèn)題。

圖4 LED陣列組成示意圖Fig.4 Illustrations of the LED array

4.2 掃描控制器工作原理

根據(jù)LED的PWM亮度控制原理，以一定占空比的方波控制LED的通斷就可以產(chǎn)生人眼視覺(jué)上某個(gè)亮度。在本方案中，按照時(shí)間間隔要求周期性地把PWM二進(jìn)制序列串值寫(xiě)入LED單元的D觸發(fā)器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該LED的PWM亮度控制；對(duì)于整個(gè)LED陣列，只要能夠在一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)把所有D觸發(fā)器掃描一遍，并且周期性?huà)呙杈涂梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)LED顯示屏的PWM亮度控制。在3.2小節(jié)已經(jīng)按照LED陣列工作方式生成了逐行掃描數(shù)據(jù)。

掃描控制器的基本操作是從雙端RAM讀取數(shù)據(jù)，并寫(xiě)入LED陣列對(duì)應(yīng)單元D觸發(fā)器，其工作流程圖如圖5所示。使用兩個(gè)計(jì)數(shù)器C0和C1分別用于生成讀取地址和寫(xiě)入地址；由于從雙端RAM起始位置開(kāi)始讀取，C0的初始值為0；把C0值作為地址向雙端RAM讀取數(shù)據(jù)，并把讀得的數(shù)據(jù)連同C1值分別寫(xiě)入LED陣列的數(shù)據(jù)總線(xiàn)和地址總線(xiàn)接口；完成一次基本操作后等待下一次掃描時(shí)刻的到來(lái)，時(shí)刻到來(lái)則C0和C1計(jì)數(shù)一次，判斷C0值是否到達(dá)上限（即掃描數(shù)據(jù)的最大存儲(chǔ)地址），如是則回到起始狀態(tài)，否則C0值仍有效，繼續(xù)判斷C1值是否到達(dá)上限（即LED陣列最后單元組的地址），如是則清零，否則C1值仍有效，之后根據(jù)C0和C1值進(jìn)行下一次基本操作。通過(guò)這種周期循環(huán)掃描就可以實(shí)現(xiàn)LED陣列的PWM亮度控制及顯示，若雙端RAM中數(shù)據(jù)不更新則顯示靜態(tài)畫(huà)面，若雙端RAM中數(shù)據(jù)隨著視頻輸入實(shí)時(shí)更新則LED陣列顯示動(dòng)態(tài)畫(huà)面。

圖5 顯示驅(qū)動(dòng)模塊工作流程圖Fig.5 Flowchart of the display module

5 掃描控制器設(shè)計(jì)

如前所述，數(shù)據(jù)處理模塊和顯示驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)雙端RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，即前者向雙端RAM寫(xiě)入掃描數(shù)據(jù)，而后者從雙端RAM中讀取數(shù)據(jù)。由于雙端RAM的兩個(gè)端口彼此獨(dú)立，當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)向同一存儲(chǔ)單元操作時(shí)，可能引起訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的沖突（Collision）問(wèn)題。為保障數(shù)據(jù)安全可靠，雙端RAM芯片一般都集成了沖突仲裁邏輯單元，其中，常用的防沖突機(jī)制包括中斷方式、Busy信號(hào)以及信號(hào)量（Semaphore）等［13］。

本方案中兩個(gè)模塊之間是單向數(shù)據(jù)傳遞，且數(shù)據(jù)處理模塊向雙端RAM高速集中地寫(xiě)入，而顯示驅(qū)動(dòng)模塊從雙端RAM中周期讀取，因此，可能出現(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)沖突情形比較簡(jiǎn)單，Busy信號(hào)方式適合本系統(tǒng)。此外，掃描控制器的工作特點(diǎn)使得其更適合于CPLD硬件實(shí)現(xiàn)。

5.1 地址計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

掃描控制器從雙端RAM讀入數(shù)據(jù)，并把讀得的數(shù)據(jù)寫(xiě)入LED陣列的對(duì)應(yīng)單元，即需要產(chǎn)生正確的地址信號(hào)。由于掃描控制器周期循環(huán)地工作，地址信號(hào)發(fā)生器使用兩個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)使用Busy信號(hào)防沖突機(jī)制，當(dāng)Busy信號(hào)有效時(shí)掃描控制器暫停工作，即地址計(jì)數(shù)器需要暫停計(jì)數(shù)，因此，在計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中添加了使能信號(hào)控制。而且，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)中添加了異步復(fù)位功能。

5.2 掃描控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)掃描控制器工作原理，進(jìn)行掃描控制器的設(shè)計(jì)，代碼綜合后得到如圖6（a）所示模塊。其中，信號(hào) busy、clk、cs、oe、re、read＿addr、data＿in屬于雙端RAM接口信號(hào)，rgb＿addr和data＿out屬于LED陣列接口信號(hào)，信號(hào)rst用于上電后地址計(jì)數(shù)器復(fù)位，確保兩個(gè)地址計(jì)數(shù)器起始一致。

功能仿真結(jié)果如圖6（b）所示。由于掃描控制器僅從雙端RAM中讀取數(shù)據(jù)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，仿真時(shí)使用一個(gè)ROM來(lái)代替雙端RAM，并通過(guò)調(diào)用Quartus II參數(shù)化模塊庫(kù)（LPM）中的ROM模塊實(shí)現(xiàn)。仿真中設(shè)定ROM大小為16個(gè)單元，數(shù)據(jù)寬度為8，并依次存儲(chǔ)1～16的整型數(shù)據(jù)。此外，對(duì)地址信號(hào)rgb＿addr做了延時(shí)處理使得與讀出數(shù)據(jù)保持時(shí)間同步。從圖中可以看出，當(dāng)復(fù)位信號(hào)rst保持有效時(shí)（設(shè)計(jì)中使用高電平有效），地址信號(hào)read＿addr和rgb＿addr復(fù)位為0并保持不變，保證了兩個(gè)地址計(jì)數(shù)器起始一致；復(fù)位信號(hào)rst失效后，掃描控制器開(kāi)始正常工作，依次讀取數(shù)據(jù)并傳遞給data＿out接口；圖中也仿真了沖突時(shí)

（a）掃描控制器RTL圖（a）RTL diagram of the scan controller

圖6 掃描控制器的RTL圖與仿真結(jié)果Fig.6 RTL diagram and simulation results of the scan controller

的情形，當(dāng)busy有效時(shí)（低電平有效），計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，接口信號(hào)保持不變；仿真中PWM序列每一位生成8個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂穜gb＿addr達(dá)到7時(shí)自動(dòng)復(fù)位，回到LED陣列的起始位置；仿真中PWM序列生成16個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂穜ead＿addr達(dá)到15時(shí)自動(dòng)復(fù)位，回到雙端RAM的起始位置，實(shí)現(xiàn)了不間斷循環(huán)讀取。

5.3 顯示驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

進(jìn)一步設(shè)計(jì)LED陣列外圍控制電路，并與掃描控制器一起構(gòu)成較為完整的顯示驅(qū)動(dòng)模塊，得到如圖7（a）所示模塊。在LED外圍控制電路中，data＿in和rgbaddre＿in分別為輸入接口的數(shù)據(jù)信號(hào)和地址信號(hào)，address＿line＿out和address＿column＿out分別為L(zhǎng)ED陣列的行譯碼輸出和分組列譯碼輸出，rgb＿dat a＿out為輸入數(shù)據(jù)data＿in經(jīng)過(guò)多路分解器的輸出，其寬度等于LED陣列的列數(shù)。盡管每一像素行等價(jià)于3個(gè)LED行，從掃描角度看它們并沒(méi)有區(qū)別；仿真中假定行譯碼address＿line＿out寬度為2，即LED陣列為32列2行；仿真中輸入數(shù)據(jù)data＿in寬度等于8，即掃描時(shí)以8位進(jìn)行分組，所以，列譯碼address＿column＿out寬度為4，即每一行被分為4組。

圖7 顯示驅(qū)動(dòng)模塊的RTL圖與仿真結(jié)果Fig.7 RTL diagram and simulation results of the display module

功能仿真結(jié)果如圖7（b）所示。根據(jù)LED陣列電路設(shè)計(jì)，address＿line＿out與address＿column＿out兩兩經(jīng)過(guò)與門(mén)生成組選通信號(hào)，然后接入相應(yīng)組D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)端。因此，僅當(dāng)行譯碼與列譯碼同時(shí)選通時(shí)，組選通信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從‘0’到‘1’的上升沿跳變，從而觸發(fā)該組D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)選通，而其他組D觸發(fā)器保持不變。從仿真圖中可以看出，掃描控制器周期循環(huán)地從雙端RAM讀取數(shù)據(jù)并傳遞給LED陣列，在行譯碼與列譯碼的共同作用下選通對(duì)應(yīng)D觸發(fā)器，滿(mǎn)足預(yù)期設(shè)計(jì)功能。

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)的基本原理是利用D觸發(fā)器的狀態(tài)保持功能，并結(jié)合掃描及信息更新來(lái)生成每個(gè)LED的PWM驅(qū)動(dòng)波形，即用傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)掃描方式實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方案中由PWM芯片完成的功能。如前所述，由于顯示屏中LED數(shù)以萬(wàn)計(jì)，且每一個(gè)LED都需要獨(dú)立的PWM亮度控制，因此，與傳統(tǒng)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方案相比，本方案用模擬方式代替大量的PWM芯片，系統(tǒng)功耗及成本大為降低，更加綠色環(huán)保。另一方面，該方案不同于傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)掃描中的分時(shí)導(dǎo)通方式，因此，它不存在傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)掃描方案中的閃爍及亮度損失問(wèn)題。

在傳統(tǒng)硬件PWM驅(qū)動(dòng)方案中，由于所有PWM芯片及LED單元并行工作，存在絕大多數(shù)LED同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)閉的可能，即LED陣列工作狀態(tài)可能出現(xiàn)整體性快速變化，從而產(chǎn)生浪涌電流（Inrush Current）現(xiàn)象［12］，引起電源完整性及電磁干擾等方面的嚴(yán)重問(wèn)題。本方案采用逐組掃描方式，無(wú)論起始階段還是正常工作中，陣列中LED狀態(tài)是逐組變化，因此，它的電源波動(dòng)較慢，易實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，從而保證LED陣列的電流平衡及色度穩(wěn)定。這是掃描方式帶來(lái)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

此外，該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理與顯示功能分離，而且，把更多的工作轉(zhuǎn)移到前端數(shù)據(jù)處理模塊中，用軟件方式完成相應(yīng)處理。這樣，軟件處理的靈活性便于功能擴(kuò)展及算法更新。

7 參數(shù)分析

假定輸入每秒25幀的視頻信號(hào)，每幀圖像尺寸為800×600像素，采用8bit量化，則每秒的輸入數(shù)據(jù)量為：800×600×3×25＝36 000 000字節(jié)，完成PWM序列化后的數(shù)據(jù)量為：36 000 000×255＝9 180 000 000位；假定掃描控制器按照64位數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行掃描，則所需工作頻率為9 180 000 000／64＝143 437 500Hz，即大約150MHz的時(shí)鐘就可以滿(mǎn)足掃描要求。我們注意到，該頻率為雙端RAM到LED外圍控制電路的時(shí)鐘速率，可以在電路板上實(shí)現(xiàn)，而每組LED的刷新頻率僅為255×25＝6 375Hz，即LED外圍控制器到LED單元之間線(xiàn)路的工作頻率不高，對(duì)時(shí)序及布線(xiàn)要求不高。假如使用傳統(tǒng)LED顯示屏中的模組概念，用較小尺寸顯示屏作為基本單元，則對(duì)器件及線(xiàn)路指標(biāo)要求大為降低，也更容易實(shí)現(xiàn)。

8 結(jié) 論

提出一種基于模擬PWM功能的全彩色LED顯示屏方案，其基本特點(diǎn)是采用D觸發(fā)器進(jìn)行信息存儲(chǔ)與LED通斷控制，并用掃描方式實(shí)現(xiàn)PWM亮度控制功能。本文詳細(xì)分析了其工作原理，對(duì)掃描控制器進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，分析比較了系統(tǒng)特點(diǎn)，并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及可行性進(jìn)行了分析。

［1］ 鄧宏貴，梅衛(wèi)平，曹文暉，等.基于PWM 的 LED 顯示屏像素亮度控制方法［J］.光電子技術(shù)，2010，30（2）：131－134.Deng H G，Mei W P，Cao W H，et al.Based on the PWM of the LED display pixel a brightness control method［J］.Optoelectronic Technology，2010，30（2）：131－134.（in Chinese）

［2］ 趙梓權(quán)，王瑞光，鄭喜鳳，等.基于視覺(jué)感受的LED顯示屏系統(tǒng)精度分析［J］.液晶與顯示，2012，27（3）：324－331.Zhao Z Q，Wang R G，Zheng X F，et al.Systemic accuracy analysis of LED displays based on visual perception［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（3）：324－331.（in Chinese）

［3］ 劉祖隆，郭震寧，胡志偉，等.調(diào)光方式對(duì)LED色溫和光通量的影響［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（1）：14－17.Liu Z L，Guo Z N，Hu Z W，et al.Effect of dimming on LED color temperature and luminous flux［J］.Journal of Huaqiao University ：Natural Science，2013，34（1）：14－17.（in Chinese）

［4］ 李熹霖.LED 顯示屏逐點(diǎn)色度亮度校正技術(shù)講座［J］.現(xiàn)代顯示，2011（7）：5－9.Li X L.A lecture on the technology of color and brightness correction of pixel of LED display screen［J］.Advanced Display，2011（7）：5－9.（in Chinese）

［5］ 張俏梅.LED顯示屏色度校正原理與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代顯示，2012（9）：270－273.Zhang Q M.The principle and application of LED display chroma correction ［J］.Advanced Display，2012（9）：270－273.（in Chinese）

［6］ 趙梓權(quán)，王瑞光，鄭喜鳳，等.LED顯示屏的色域校正［J］.液晶與顯示，2013，28（1）：92－98.Zhao Z Q，Wang R G，Zheng X F，et al.Color gamut correction of LED displays［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（1）：92－98.（in Chinese）

［7］ 鄧宏貴，李志堅(jiān)，郭晟偉.基于LED電脈沖響應(yīng)的LED顯示屏像素灰度校正方法［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2010，31（1）：145－149.Deng H G，Li Z J，Guo S W.Method of gray value correction in LED display screen based on LED electroluminescence response［J］.Chinese Journal of Luminescence，2010，31（1）：145－149.（in Chinese）

［8］ 阮海蓉，夏貴勇.基于照相的LED顯示屏亮度校正方法［J］.液晶與顯示，2012，27（2）：193－197.Ruan H R，Xia G Y.Brightness correction method of LED display based on photographing［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2012，27（2）：193－197.（in Chinese）

［9］ 宋超，王瑞光，馮英翹.LED大屏幕顯示校正系數(shù)配置系統(tǒng)［J］.液晶與顯示，2013，28（3）：392－397.Song C，Wang R G，F(xiàn)eng Y Q.Display calibration coefficient configuration system used in LED panel［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2013，28（3）：392－397.（in Chinese）

［10］ Day M.TLC5940PWM dimming provides superior color quality in LED video displays［J］.Analog Applications Journal，2006：10－13.

［11］ 李軍，吳高英.彩色 LED 顯示屏的γ校正［J］.現(xiàn)代顯示，2000（3）：46－49.Li J，Wu G Y.Theγcorrection of full color LED ［J］.Advanced Display，2000（3）：46－49.（in Chinese）

［12］ Ahn J H.Implementation of an LED tile controller for high－quality image display ［J］.Displays，2013，34（1）：17－26.

［13］ 陳德明，熊列彬.雙口 RAM 在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2005（4）：20－23.Chen D M，Xiong L B.Application of dual RAM in automation system ［J］.International Electronic Elements，2005（4）：20－23.（in Chinese）