- LED電子顯示屏真彩顯示技術分析
- 圖像采集技術
- 圖像色彩再現
- 顯示驅動電路
- 亮度控制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、價格低廉的大面積信息宣傳媒體一直是工程技術人員所關注的問題。根據應用場合的不同，要求的顯示性能以及對顯示系統成本的要求的不同，人們可以選擇不同的顯示媒體。考慮到用于戶內外的大屏幕顯示媒體對顯示設備的顏色、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容，并且能夠根據外部自然光強度的變化自動地對其顯示正在播放的視頻節目，具有較高的可靠性和性能價格比，易于維護。綜合上述諸多的因素，工程技術人員通過對磁翻版、真空像素管、電視墻、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范圍。
因此，利用LED器件制造大型平板顯示屏系統成為LED器件應用的重要領域，進而推動了大型顯示屏系統發展并形成一種產業。用LED器件組成顯示屏的最大特點在于其制造不受面積限制，可以達到幾十甚至幾百平方米以上，應用于室內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，具有較強的廣告渲染力和震撼力，對都市的社會活動有較強的氣氛渲染作用，美化和豐富了人們的生活環境。
1、圖像采集技術
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時采集，將模擬視頻信號采集為數字視頻圖像。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圖像時可以通過復制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復制，另一種是采用硬件竊取技術，后者更為有效、快速。
由于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制，為此，北京銀河電腦公司于1998年研制開發出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、像素點頻幾個同步信號提取出來，并將紅、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、由于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、由于人們視覺對紅、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面一些要求：
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，取決于光強）；
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制系統硬件實現，也可由播放系統軟件實現。
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。對于戶內點陣塊屏，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并轉換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），它將串并轉換和大電流驅動合二為一，這種ASIC具有如下顯著特點：并行輸出驅動能力大，單路驅動電流高達200mA，可直接驅動LED；電流電壓范圍寬，工作電壓可在5～15V內靈活選用；串行輸入、移位和鎖存、時鐘輸入端口都設有施密特整形電路；串并輸出電流大，吸收和供給電流都大于4mA，級連方便；數據處理速度高，串行時鐘頻率，fmax≥25MHz特別適用于多灰度彩色顯示屏的LED驅動。
我國的無錫東大先行微電子有限公司也于1998年生產出與TPIC6B595完全兼容的ASIC芯片AMT9094/9095，但價格大為降低。由于TPIC6B595的并行輸出口僅為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級灰度控制較麻煩。
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為此，美國TI公司研制開發出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控制的256級灰度顯示；亮度32級可調；時鐘同步的8位并行數據輸入。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的封裝使得驅動板面積大為減少。
在此基礎上，TI公司又研制性能更好的LED驅動專用芯片TLC5921。北京華虹集成電路設計公司也研制開發出性能優良的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制分別采用兩個獨立的時鐘；采用8位并行數據輸入和8位并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于20V；數據輸出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）排列而成，由于像素點的分離性，決定了其發光的控制和驅動只能以數字方式進行。這些像素點的發光狀態由控制器同步地控制，獨立驅動。視頻真彩色顯示意味著要對每一個像素點的亮度分別進行控制，并且要在規定的掃描時間內同步地完成。大屏幕是以數以萬計的像素點組成的，這使得系統的復雜性較兩值顯示大屏幕而言大為增加，并對總體的數據傳輸速度提出了更高的要求。給每一像素點設置一個常規D/A顯然是不現實的，必須尋找一種能最大限度降低系統復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于它的亮/滅占空比。也就是說，只要對像素點亮/滅占空比進行調節，就能實現對亮度的控制。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，控制任意像素點亮度的數據為n位二進制數D=bi2i（其中bi=0或1），Ton為相應于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復雜。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。于是，一般地有，對于n位二進制數據D=bi2i，將分Ts為n段，并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。由于函數f(i)對所有像素點而言可以是共同的，因而上式表明，只要用f(i)統一控制各個像素點，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。對于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，只要將所有ST信號統一由f(i)控制即可。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制數據中的同權位，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。從兩種存儲結構來分析，利用位平面結構有利于提高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，然后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位數據并行傳送電路；8位并-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后的像素點頻打入并行鎖存器，8位加1計數器輸出進位脈沖LD，將8位數據同時鎖存到8位并-串轉換電路，由時鐘控制電路完成并-串轉換電路時鐘的控制。數據經過重構后，一個存儲體中不再是一個像素值，而是不同像素值的同權位。將所有的同權位存放在一起，從而構成以位為單位的位平面存儲結構。在讀出時必須按相反的規則取出各像素的相鄰權值。
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），每片表示一個位平面，像素經過轉換向同一存儲器寫入時，首先寫0位，再寫1位，最后寫N位。對于8Col×Row點陣的顯示屏，每個位平面存有8Col×Row位。存儲器內部組織取決于驅動屏體上像素管的邏輯連線關系。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電子顯示屏顯示控制電路中，大量采用的是常規數字電路系統設計，用數字電路組合出復雜控制邏輯。在常規數字電路系統設計中，當電路設計完成后，須先制作電路板，然后安裝元件，調試。如果電路板的邏輯功能不符合要求就必須重新設計制作電路板，再重新調試，直到實現邏輯功能為止。很顯然，這種設計方法的設計周期長，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計與制作，但在修改該邏輯時仍舊不能避免器件的反復插拔。
在系統可編程技術(In-SystemProgrammable，縮寫ISP)，是指在用戶自己設計的目標系統中或電路板上為重構邏輯器件編程或反復改寫的能力。常規PLD在使用中通常是先編程后裝配，而采用ISP技術的PLD則是先裝配后編程，成為產品之后還可以反復編程。在系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”的愿望，使得數字系統面貌煥然一新。采用ISP技術后，硬件設計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定的程序改變組態。這不僅擴展了器件的用途，縮短了系統調試周期，而且根除了對器件單獨編程的環節，省卻了器件編程設備，簡化了目標設備的現場維護和升級工作。ISP技術還有一個特點是采用系統設計軟件進行邏輯輸入時，輸入與所選器件無關。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，再根據仿真和適配的結果選擇器件。
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，時鐘頻率可以高達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、控制單元、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，對于高質量的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（臺灣）、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、工作范圍寬、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，這方面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
