高密度LED显示屏灰度显示方案设计

　　信息显示是信息科学技术的重要环节之一，光电综合显示作为人机联系的桥梁得到了越来越广泛的应用。在相当长的一段时间内，信息显示技术停留在阴极射线显像管(CRT) 时代，但CRT 作为真空器件，其自身一些固有的缺点限制了它在某些领域的应用范围。为了解决CRT 显示器带来的这些问题，国内外都在加紧进行平板显示器( FDP) 的研制与开发。在众多的FDP 中，发光二极管(LED) 显示器有其自身固有的一些优点:工作电源低、响应速度快、工作温度范围宽、全固体器件功耗低、体积小、抗冲击、高可靠、寿命长等。同时它本身就是半导体器件，故可与IC 电路完全兼容，控制和驱动电路易集成在平板显示器中，进一步降低显示器的体积，也可以方便实现信号的多路传输。在深入研究LED 器件发光特性的基础上，介绍了一种在高位高密度LED 平板显示器上实现灰度显示的解决方案，并对该方案进行了实验验证，实验表明，通过这种方案实现的LED 灰度显示可以同时兼顾显示器的亮度和灰度。

　　1 、LED 点阵灰度级产生原理

　　LED 点阵的每一个像素点由红(R) 、绿( G) 、蓝(B) 三色LED 组成，对应着视频图像的一个像素点。在与计算机CRT 同步显示时，若L ED 点阵每一个像素的红、绿、蓝LED 的发光亮度随CRT 对应像素点R、G、B 信号变化而变化，就能同步显示出相应的CRT 图像。若用灰度级来描述单色LED 的亮度变化，则灰度级越多，图像色彩就越多，层次越丰富。LED 正向伏安特性与普通二极管大致相同，电压的开启点以前无电流，电压一旦超过开启点便显示出导通特性，这时正向电流I与正向电压U 的关系式如下:

　　式中m 为复合因子， I0为反向饱和电流， UT =kT/e 称为温度电压当量，在热力学温度T = 300 K时，UT = 26 mV1 在宽禁带半导体中， 当I <0. 1 mA时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m = 2 ;电流增大后扩散电流占优势时m = 1.U 为外加电压。

　　由图1 可以看出，L ED 从导通开始直到它不被烧毁的最大电流为止，其伏安特性一般是线性的。在这个线性区域内，L ED 的发光强度基本正比于它的电流强度1有两种方法实现L ED 的亮度控制:
(1) 通过调节L ED 的正向电流，得到L ED 的亮度调制。如把L ED 的正向导通电流按一定步长调节，其发光亮度就可以分为若干个灰度级。但这种方式所需的驱动电路太复杂，在实际应用中并不可行，在此不予讨论。

　 　(2) 控制单位时间内L ED 的导通时间。L ED具有快速时间响应特性，*高可达数十兆赫兹，可以用脉冲方式驱动L ED 发光，例如用1 MHz ，占空比为0. 25 % ，峰值电流为1 A 的脉冲去驱动L ED ，与用25 mA 的直流驱动，其发光亮度是一致的。显然，调节驱动脉冲的占空比，可获得不同的灰度级，那么如果用CRT 图像信号各像素点的离散图像数据去控制对应L ED 的导通时间，即可获得多灰度级显示图像1图2 表示周期时间T 内，占空比分别为1 、4P7 、2P7 、1P7 的脉冲去驱动L ED ，显然获得亮度比为7∶4∶2∶1 ，这样*高灰度级为7 ，共可获得8 个灰度级。

　　图2a 只表示了7 、4 、2 、1 这四个灰度级L ED 的导通情况，这种直接调节驱动脉宽以获得显示图像灰度的方法一般不易实现，只有用间接的方法使L ED 的驱动脉冲占空比受制于图像数据，以获得显示图像灰度级。

　 　图2b 表示在T 时间内用一个脉冲窜去驱动L ED ，控制时间内脉冲个数就能控制L ED 的亮度，当各个T 时间内驱动脉冲个数为7 、4 、2 、1时，获得的亮度比为7∶4∶2∶1 ，同样也会获得8 个灰度级。但是，不难看出，用这种方法，驱动脉冲的占空比要下降，这就意味着各灰度级的L ED 亮度要下降，图2b 是用对称方法驱动的，那么与图2a 相比，导通时间缩短了一半，在同样的正向导通峰值电流下亮度必然下降一半。可通过提高峰值电流的方法来弥补亮度损失，但重要的是这种调制脉冲个数以获得图 像灰度的方法在电路实现上也有较大困难。
图2c 为另一种目前已在等离子体 显示中应用的方法，当所摄图像亮度化为八级时，可用三位二进制码“a3 a2 a1 ”表示，*高亮度表示为“111”，最低亮度为“000”，那么，可以将周期T 分为3 个小的时间间隔t ，在t 时间内分别用二进制码a3 ，a2 ，a1 来控制L ED的导通状态“， 1”表示导通“， 0”表示断开，同时a3 ，a2 ，a1 是有权码，对应的权值分别为4 、2 、1。如果a3 ，a2 ，a1 不仅仅控制t 时间内L ED 的导通，而且还控制导通时间，其导通时间长短依据所对应的权重，就可以有8 个灰度级。如图2c 所示，第*个周期T表示*高亮度，其二进制码为“111”，那么每一个t时间内，L ED 都导通，其导通时间之比为4∶2∶1 ，第二个周期T 表示4P7 *高亮度， 其二进制码为“100”，显然，其导通时间只有第*个t 时间内L ED导通，与图2a 相比，不难发现， T 时间内，L ED 导通时间仍减少了，所以在同一峰值电流下每灰度级的亮度都下降了，因而这种牺牲显示图像亮度的办法对L ED 点阵显示是不利的。

　 　图2d 表示，如果将每一周期等分成7 个小的时间间隔，每一时间间隔电平的高低决定着L ED 的亮灭，那么，可以获得8 个灰度级1 例如，当7 个时间间隔电平全为高，L ED 亮度为*高，有6 个时间间隔电平为高，另一个为低时，获得6P7 *高亮度，依次类推，7 个时间间隔电平全为低，为全黑1 图2d也表示的是亮度之比为7∶4∶2∶1 ，与2a 图相比对应的导通时间是相等的，因而显示图像亮度没有损失1在实验中，作者采用的正是这种方法。具体实现如下。

　　2、 LED 灰度级实现

　　CRT 图像是按帧频来刷新的，每一帧的图像可由一个M 行N 列的矩阵来表示，对应着一帧M ×N 像素点的视频图像。 每一场图像不一样，矩阵元素的值也会发生相应的变化，矩阵的表达式为

　 　矩阵(2) 中的每一元素代表着M ×N 点CRT图像中对应像素点的图像亮度信息，而元素在矩阵中的位置恰恰是该像素点在CRT 图像中的位置。其中A 、B 、C 代表着具有单位亮度的R、G、B 三原色，系数aij 、bij 、cij 为零和正整数，它决定着混成该像素点颜色所需R、G、B 三色的亮度份额，如果将该图像白电平亮度所含R、G、B 三原色的亮度分别等分成N 级，那么每份亮度就是A 、B 、C ， 即单位亮度， aij 、bij 、cij 的取值分别为从0 到N ，表示用aij 份的单元亮度红色， bij 份的单位亮度绿色和cij 份的单位亮度蓝色，可混成该元素所对应像素点的颜色。根据矩阵运算法则，矩阵(2) 又可表示为

　　式(3) 中的各项分别代表红、绿、蓝单色图像，是具有若干灰度级的，如果aij 、bij 、cij 的取值分别从0 到N ，那么，每一单色图像的灰度级为N + 1。根据矩阵运算法则有

      其中aij ( n) = 0 或1 ，且aij = aij (1) + aij (2) + ...+ aij ( n) 。

　 　从式(4) 看出，一个单色图像数据矩阵可分解为若干二值矩阵(矩阵中每一个元素均为0 或1) 的和，每一个二值矩阵代表着一具有单位亮度的单色二值图像，那么式(4) 的意义为:具有( N + 1) 灰度级的单色图像可有若干N 个具有单位亮度的单色二值图像在时间上叠加而成，显然，在空间叠加是不现实的1 这意味着可将一电视场的单色视频图像分成若干个单色二值图像，再将这些单色二值图像顺序显示出来，根据人眼的积分效应，又可复现出原来的单色视频图像1 同样的方法，同时恢复出R、G、B单色视频图像，再使它们在空间叠加就可以获得彩色视频显示图像。

　　具体来说，如果每一单色像素的灰度级数为N+ 1 ，灰度级由低到高分别为0 ，1 ， ...， N ，对每一级灰度规定一串N 位‘0’、‘1’控制码与其对应，而在每一控制码中，‘1’的总数与其对应灰度级的编号相等，即灰度级越高，其控制码中‘1’越多。

　 　再将L ED的每个显示周期分为等间隔的N 段，每一段用一位控制码控制L ED 的通断，‘1’是控制L ED通‘， 0’是控制L ED断1由于不同灰度级中‘1’的个数不同，故在一周期内，L ED 导通的时间不同，通过人眼视觉的积分效应，就产生了亮度的差别。

　　由此类推，把CRT 显示的一帧单色画面分成N场在L ED 点阵屏上显示，每场显示的时间为TPN ，在各场中，各像素由其对应的控制码来控制L ED 的通断，通过视觉的积分效应，就产生了整个画面的灰度效果。

　　3 、LED 控制板的硬件实现

　　LED 板的硬件设计框图如图3示

　 　CRT 的红色信号经采样量化后形成红色4 位二进制数，因此经量化的亮度有16 级，如把CRT 的一帧图像在LED 点阵屏幕上分为15 场来显示，通过控制15 场中LED 像素点亮次数来形成不同的亮度等级1 如15 场中某一像素点全不点亮，即为黑点亮一次，表现为仅高于黑的图像亮度;点亮两次，亮度又高一级;全部点亮，即为最亮1 在实际电路中，考虑到电路的复杂性，将L ED 屏分成16 场显示，第*场始终不点亮，这样当然会损失一些亮度，但简化了设计。

　　4 、结论

　　在完成其测试系统研制的基础上， 对高密度LED 矩阵显示屏进行了部分性能参数的测试，实验表明，通过这种方案实现的LED 灰度显示可以同时兼顾显示屏的亮度和灰度。

来源：OFweek半导体照明网