【文章內容簡介】 。 LED顯示技術的發(fā)展歷史高亮度LED的出現(xiàn)具有劃時代意義，最早研制的LED只能發(fā)出紅色的光，用于電子設備中的指示燈。如今，LED已能發(fā)出紅色、黃色、藍色、綠色、橙色、琥珀色、藍綠雙色、紅綠雙色、黃綠色、純綠色、翠綠色、白色等各種光束。在我國各大城市，已經(jīng)到處可見LED的眩目光彩，LED正在改變我們的生活和工作環(huán)境。半導體技術在引發(fā)微電子革命之后，正在孕育一場新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命。LED已成為信息時代的閃亮標志，將逐步取代白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)照明技術。LED有很多突出的優(yōu)點：除了壽命長、耗能低之外，LED應用非常靈活，可以做成點、線、面等各種形式的輕薄短小產(chǎn)品；環(huán)保效益好，由于光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量也沒有輻射，屬于典型的綠色照明光源，而且廢棄物可回收，沒有污染；控制極為方便，只要調整電流，就可以隨意調光，不同光色的組合變化很多，利用時序控制電路，可以達到豐富多彩的動態(tài)變化效果。LED不僅可用于大型廣告顯示屏，還可以用于建筑和交通照明。LED作為城市重點建筑的夜景照明，在勾勒輪廓上可以大顯身手，能夠模擬任何色彩，能源的損耗和維護費用也大大降低。由于體積小，LED適合制作成線條燈具。LED作成地燈，可指示方向、步行道和車道，安全可靠、經(jīng)久耐用。以往，在城市的夜空中，最妖嬈的也許就數(shù)霓虹燈了，但是由于霓虹燈最容易損壞，我們常?？吹?，霓虹燈顯示的畫面和文字總是“缺胳膊掉腿”。如果采用LED取代霓虹燈作為顯示標志，不僅可以避免殘缺不全的遺憾，而且可以隨心所欲地使用。隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術的不斷進步，LED顯示屏正在迅速崛起，作為新一代顯示媒體。LED已成為現(xiàn)代城市一道靚麗的風景線，廣泛應用于各種公共場合。有機LED顯示屏的單個元素反應速度是LCD液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40度的低溫。在現(xiàn)代都市中大功率氣體放電燈、泛光照明、霓虹燈、燈箱廣告等光源所產(chǎn)生的光污染，已經(jīng)對人類、自然環(huán)境以及天文觀察造成嚴重危害。21世紀，解決光污染是照明技術急待突破的課題，LED應運而生，前途無量。未來照明市場的爭奪戰(zhàn)已經(jīng)展開。我國擁有巨大的照明工業(yè)和照明市場，在半導體發(fā)光器件領域，我國與世界先進水平差距較小，我國自主研制的第一個LED比世界上第一個LED僅僅晚幾個月，整體技術水平也只比發(fā)達國家相差3年左右。為了適應高速增長的市場需求，我國已將LED分別列為31項國家鼓勵發(fā)展的電子產(chǎn)品和20種鼓勵外商投資的電子產(chǎn)品和技術之一。 LED顯示技術的基本原理灰度掃描實現(xiàn)的關鍵在于產(chǎn)生由“0”和“1”組成的串行數(shù)據(jù)流。從圖像處理模塊輸出的數(shù)據(jù)信息為并行數(shù)據(jù)，它包括圖像分離的R、G、B三基色數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)不能直接用于LED掃描顯示，必須經(jīng)過時序譯碼，才能轉換為含有灰度信息的由“0”和“1”組成的編碼序列，以供掃描顯示使用。在高速動態(tài)顯示時，LED的發(fā)光亮度與其在掃描周期內的發(fā)光時間成正比，所以灰度等級的實現(xiàn)由控制LED的發(fā)光時間與掃描周期的比值（即占空比）的辦法來實現(xiàn)。假設每幀周期為S，采用8行掃描方式，則每行總選通時間為S/8。將每周期內LED的總發(fā)光時間依次調節(jié)為0、1S（/816）、2S（/816）……、15S/（816），這樣就將LED的發(fā)光時間分為16個等級，即實現(xiàn)了16級灰度。 信息刷新原理根據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)刷新的原理不同，LED顯示屏刷新方式可分為鎖存型和掃描型兩種類型。鎖存型鎖存型指顯示屏上每一個LED都對應于一個驅動寄存器，即驅動器不需要時分工作，每一個LED的亮度占空比均為100%。這樣避免了LED在超額電流狀態(tài)下工作。過去使用常規(guī)驅動IC，設計非常復雜而且成本較高。現(xiàn)在超大規(guī)模LED功能驅動IC出現(xiàn)后，不但設計簡單，成本也大幅度降低。室外屏大多為鎖存型。掃描型掃描型指顯示屏上4行、8行或16行LED共用一個驅動寄存器，常稱為4循環(huán)、8循環(huán)或16循環(huán)。在這種系統(tǒng)中，屏幕灰度信息的刷新是靠驅動寄存器時分工作實現(xiàn)的。只要屏幕的刷新頻率在50Hz以上，人眼就不會感到閃爍。因為驅動寄存器的時分工作，使每一個LED的亮度占空比減小，所以導致LED亮度降低。為了提高顯示屏亮度往往使LED在超額電流狀態(tài)下工作。掃描型驅動電路設計比較簡單、成本低，較多應用于室內顯示屏的設計。因為LED大屏幕顯示是高速連續(xù)進行的，特別在播放視頻信號時，不但要求實時完成圖像的高速掃描，還要接收新的數(shù)據(jù)，以便更新屏幕。這就要求系統(tǒng)中必須要有高速數(shù)據(jù)緩存處理電路，以防止在掃描過程中丟失數(shù)據(jù)。所以本系統(tǒng)中LED大屏幕顯示的高速數(shù)據(jù)緩存模塊采取雙總線結構的存儲電路。如圖31所示，A、B兩組幀存儲器分別交替工作于圖像高速掃描和圖像數(shù)據(jù)接收緩存兩種方式。當A幀存儲器用于圖像的掃描時，B幀存儲器用于圖像數(shù)據(jù)接收和緩存；反之，當A幀存儲器用于圖像的接收和緩存時，B幀存儲器用于圖像的掃描顯示。從顯示控制模塊傳來的數(shù)據(jù)為并行數(shù)據(jù)，而LED顯示屏所需的是含有像素點灰度信息的串行數(shù)據(jù)流。這就要求有灰度譯碼，將4bit并行數(shù)據(jù)轉換為16個有灰度信息的串行數(shù)據(jù)序列。由于A、B兩組存儲器交替使用，要求在接收一幀并行數(shù)據(jù)的時間內把譯碼后的16bit串行數(shù)據(jù)流送往LED屏。串行數(shù)據(jù)流速率是并行數(shù)據(jù)速率的16倍，所以系統(tǒng)選用高速靜態(tài)SRAM以滿足要求。圖31 雙總線結構的主從掃描存儲原理 彩色顯示屏的γ校正幾乎所有的CRT顯示設備、攝影膠片和許多電子照相機的光電轉換特性都是非線性的。但這些非線性部件都有一個能夠反映各自特性的冪函數(shù)，它的一般形式是：y= 輸出＝式中的γ（gamma）是冪函數(shù)的指數(shù)，它用來衡量非線性部件的轉換特性。這種特性稱為冪律（powerlaw）轉換特性。按照慣例，“輸入”和“輸出”都縮放到0～1之間。其中，0表示黑電平，1表示顏色分量的最高電平。對于特定的部件，人們可以度量它的輸入與輸出之間的函數(shù)關系，從而找出γ值。實際的圖像系統(tǒng)是由多個部件組成的，這些部件中可能會有幾個非線性部件。如果所有部件都有冪函數(shù)的轉換特性，那么整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)就是一個冪函數(shù)，它的指數(shù)γ等于所有單個部件的γ的乘積。如果圖像系統(tǒng)的整個γ＝1，輸出與輸入就成線性關系。這就意味在重現(xiàn)圖像中任何兩個圖像區(qū)域的強度之比率與原始場景的兩個區(qū)域的強度之比率相同，這似乎是圖像系統(tǒng)所追求的目標：真實地再現(xiàn)原始場景。但實際情況卻不完全是這樣。 當這種再生圖像在“明亮環(huán)境”下，也就是在其他白色物體的亮度與圖像中白色部分的亮度幾乎相同的環(huán)境下觀看時，γ＝1的系統(tǒng)的確可使圖像看起來像“原始場景”一樣。但是某些圖像有時在“黑暗環(huán)境”下觀看所獲得的效果會更好，放映電影和投影幻燈片就屬于這種情況。在這種情況下，γ值不是等于1而通常認為γ＝，人的視角系統(tǒng)所看到的場景就好像是“原始場景”。根據(jù)這種觀點，而不是1。還有一種環(huán)境稱為中間環(huán)境的“暗淡環(huán)境”，這種環(huán)境就像房間中的其他東西能夠看到，但比圖像中白色部分的亮度更暗?？措娨暤沫h(huán)境和計算機房的環(huán)境就屬于這種情況。在這種情況下，通常認為再現(xiàn)圖像需要γ＝“原始場景”。所有CRT顯示設備都有冪律轉換特性，如果生產(chǎn)廠家不加說明。用戶對發(fā)光的磷光材料的特性可能無能為力去改變，因而也很難改變它的γ值。為使整個系統(tǒng)的γ值接近于使用所要求的γ值，起碼就要有一個能夠提供γ校正的非線性部件，用來補償CRT的非線性特性。在所有廣播電視系統(tǒng)中，γ校正是在攝像機中完成的。最初的NTSC電視標準需要攝像機具有γ＝1/＝，現(xiàn)在采納γ＝。PAL和SECAM電視標準指定攝像機需要具有γ＝1/＝，但這個數(shù)值已顯得太小，因此實際的攝像機很可能會設置成γ＝。使用這種攝像機得到的圖像就預先做了校正，在γ＝。這個值適合“暗淡環(huán)境”下觀看。 過去的時代是“模擬時代”，而今已進入“數(shù)字時代”，進入計算機的電視圖像依然帶有γ＝。雖然帶有γ值的電視在數(shù)字時代工作得很好，尤其是在特定環(huán)境下創(chuàng)建的圖像在相同環(huán)境下工作，可是在其他環(huán)境下工作時，往往會使顯示的圖像讓人看起來顯得太亮或者太暗，因此在可能條件下就要做γ校正。在什么地方做γ校正是人們所關心的問題。從獲取圖像、存儲成圖像文件、讀出圖像文件直到在某種類型的顯示屏幕上顯示圖像，這些個環(huán)節(jié)中至少有5個地方可有非線性轉換函數(shù)存在并引入γ值。對于CRT，圖像亮度B與圖像信號E之間的變換為非線性，即B=。為了克服低照度段圖像偏暗的缺點，圖像傳輸系統(tǒng)進行了預補償辦法，即γ校正。按B=，即B=對發(fā)送的圖像信號進行預校正。在LED彩色顯示屏系統(tǒng)設計中，使用γ校正處理技術，對顏色信號分別進行γ校正，不但不損失灰度層次，還可以使全彩色顯示屏圖像更鮮艷、更逼真，更清晰。我們還可以在顯示屏數(shù)據(jù)顯示之前進行二次非線性校正，通過查表法的方法實現(xiàn)特定的數(shù)字信號處理算法，這樣可以使LED顯示屏達到更好的顯示效果，加快數(shù)據(jù)處理速度，提高圖像的刷新頻率，可以有效的防止圖像的閃爍。LED顯示屏的廣泛應用與高速發(fā)展也對LED顯示屏的控制系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其是用圖像處理的方法解決發(fā)光二極管本身的工藝缺陷。顯示屏均勻性的改造可以解決像素點之間由于LED本身的物理因素產(chǎn)生的光強差異，使顯示屏的整體視覺效果大幅度提高。由于時間有限，在本次項目中并沒有涉及這方面的內容，僅在此做簡單介紹。產(chǎn)生原因LED在制造過程中由于材料厚度、組成成分和摻雜均勻性等方面的差異；由于退火和蒸發(fā)材料時不均勻性等諸因素都會嚴重影響LED的法向光強Iv、正向壓Vf和波長λ等參數(shù)。因此同一批LED產(chǎn)品光強最大值與最小值之比RL可達三倍以上。解決方法亮度不均勻性指像素間光強不勻和模塊間的亮度不勻，為了解決這兩種亮度不均勻性，在分檔、規(guī)范組裝工藝、均衡LED中電流等方面均下了不少功夫。但都不能從根本上解決問題。光強均衡處理是一個比較好的辦法。從圖像處理角度看，可以把像素間光強不均看成是一種非隨機變化的靜態(tài)噪聲，可以利用圖像處理中的圖像平滑技術來進行像素間光強均衡處理。將采集到的各像素的亮度分布，按某種平滑技術處理后形成一個灰度校正矩陣，要顯示的數(shù)字圖像信號用此矩陣處理后再去驅動大屏幕LED顯示屏。 亮度控制器模塊亮度調節(jié)問題，是為了使室外LED彩屏能夠適應白天、夜晚、晴天、陰天等多種戶外環(huán)境光線的變化而提出的。為適宜觀看，要求其屏體亮度隨外界環(huán)境的變化而適當調整。另一方面，LED屏耗電量較大，一般為幾十到幾百千瓦，控制亮度可以延長設備使用壽命，而且對降低功耗有重要意義。COMM0COMM1COMM2 D0 D1 ` ` ` ` ` ` D6 D7 D0圖32 亮度時序圖圖32 LED亮度信號時序圖本次設計的LED顯示屏可以進行8個等級的亮度調節(jié)。ARM發(fā)送的COMM0、COMMCOMM2是亮度控制信號和亮度數(shù)據(jù)信號。其時序圖如圖32所示。其中，COMMO和COMMI是亮度控制信號，COMMZ是亮度數(shù)據(jù)信號。亮度數(shù)據(jù)信號按照亮度控制信號的時序要求串行發(fā)送亮度數(shù)據(jù)信息。一個COMMO正脈沖內，當檢測到COMMI下降沿時，發(fā)送一位數(shù)據(jù)信息。一個COMMO正脈沖內有8個COMMI周期，即串行發(fā)送8位數(shù)據(jù)信息，在這8位數(shù)據(jù)信息中，D0~D2是亮度信息，也就是用這三位數(shù)據(jù)表示出8個等級(分=8)的亮度來。采用脈寬調制來控制亮度，將平均電流分成8級，亮度信號是低電平有效。本設計中，安裝了光傳感器，因此可以根據(jù)光傳感器測得的環(huán)境光亮度，程序自動調整亮度寄存器的數(shù)據(jù)值，從而獲得最佳的顯示效果。第4章 LED彩屏顯示系統(tǒng)的硬件設計 ARM芯片簡介及硬件電路設計 ARM芯片簡介ARM(Advanced RISC Machine)的縮寫。1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Aocm計算機有限公司誕生，由美國加州S