LED显示屏灰度调制算法

LED显示屏是近几十年来兴起的显示终端，是一种利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式多媒体显示终端。与众多其他类型的显示终端相比，LED显示屏有着使用寿命长、亮度高、可视视角大、功耗小以及可以按照实际需求任意组装成需要的大小等优点。LED显示屏的发展经历了单色，双色和多级灰度的发展过程，使用范围也从以前的单一的广告以及一些多媒体显示到现在可以取代投影仪进入会议室、教室和家庭。但是无论是单色屏还是全彩屏，无论哪种用途的LED显示屏，不同的显示屏的屏宽、屏高、灰度、基色等等都是不同的，对于不同的控制系统，显示屏的各种参数设计都不相同，因此显示屏设计参数是受许多条件限制的。

LED显示屏的设计参数有屏高、屏宽、灰度、扫描频率。其中灰度扫描中的驱动时钟个数、锁存信号时序、消隐信号时序等等都是影响其显示效果的重要因素。但是，LED显示屏的很多灰度控制技术缺少理论指导[1]，基本上都是实际工程项目中的技术积累和改进。

1 LED工作原理及屏体机构

1.1 LED器件的驱动

LED发光二极管驱动方法一般可以分为直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等等。

本设计采用扫描驱动，见图1。扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干LED器件轮流导通，用以节省控制驱动电路。如图1所示为扫描驱动电路示意图，对于n个LED器件进行扫描驱动的电路，假定切换电路在切换过程没有时间延迟，且每个LED的导通时间ton是相等的T，设一个扫描的控制周期为，则占空比。

图1 扫描驱动电路

图3 行列扫描控制原理以及扫描波形图

灰度控制就是在已知灰度级的情况下根据灰度级控制占空比，在控制周期T不变的前提下，就是控制ton的大小。其中，导通时间与扫描周期的比例关系如图2所示。

图2 导通时间与扫描周期比例关系

在实际工程应用中，LED灯珠是按行按列排列的。因此，要求按行列驱动，可以按行扫描按列控制，也可以按列扫描按行控制。

如图3所示是m×n结构的LED显示屏，当使用到行扫描列控制时，对H1到HM拉高，如果需要控制具体哪一个LED导通，需要对列进行拉低操作，这样就实现了LED的通断，如果将列信号从通断控制换成占空比控制，使LED器件所需要的灰度级分别由对应的列线控制信号控制，这样就实现了灰度显示[2]。

1.2 LED全彩屏介绍以及屏体结构

LED全彩屏是将发光二极管按行按列布置的，驱动时也是按行按列驱动[3]。LED全彩屏是由红绿蓝三种颜色的单管构成一个像素作为最小显示单位且每种颜色都可单独控制的一种LED显示屏。

屏体是由模块组装而成，模块将若干行LED组成一行，每次点亮一行，使用时将各个行按照顺序点亮，如果是16行为一个循环，就称作这种屏体为16线屏体。在水平方向驱动模块级联，在垂直方向，模块并联。最终屏体的接口就是如图4所示的一组接口。屏体由行列选择接口、数据接口组成，控制信号有扫描时钟、数据锁存信号接口、消隐信号接口。各个模块共用这三个驱动信号，各个模块的数据接口级联。

如图4所示的是一个宽W、高H的LED显示屏的驱动模块，用CLED表示总像素数量，由此可得到LED显示屏的像素点数为：

假设用C表示驱动模块驱动的时钟数，Wd表示每种基色的数据线宽度，s表示线数，WF表示分块的宽度。则从驱动的角度计算为：

图4 屏体结构

2 LED灰度扫描

2.1 灰度扫描的原理

常用的灰度扫描方式是占空比方式。用占空比调节LED的亮度，是发光能量与人眼暂留作用两者相结合的产物。在相同LED正向电流的作用下，发光时间越长能量越大，只要周期性扫描的速度足够快，人眼感觉不到周期内部发光，只是感觉LED的亮度更高。调节占空比就是调节发光时间长度[4]。

对于一个灰度级为n，线数为s的显示屏，选用行优先扫描的方式，先扫描行再扫描灰度。在扫描灰度时，先通过时钟将一线数据送入屏体，通过锁存信号存入相应的寄存器，直到最后一行数据进入屏体。

由此可知，每行的LED灯的点亮时间受二个信号控制，一是锁存信号，每二次数据锁存的时间间隔就是LED灯点亮时间，下文中用STR表示锁存信号。二是消隐信号，下文中使用RES表示消隐信号。

2.2 2m级灰度全屏扫描

通过上面描述可知，灰度扫描主要是对锁存信号、消隐信号和串行数据进行时间上的调制。对于实现2m灰度级的显示屏，可以用两个以为变量的比例式来描述它们在各级灰度之间的比例关系。

锁存信号的比例关系为：

其中

消隐信号的比例关系为：

其中 sm=2m-x0≤x＜n

定义K[x]为一个时间片内被移位的串行数据。

由上述公式可知，实现一个2m级灰度显示，选定一个x，即可以决定STR和RES的控制时间比。

上式中的比例项为1的项对应的时间可以理解为STR信号的单位间隔时间，即为STR的最小值，也是x的函数，记为tt,m(x)，表示一线数据送上屏体的最小时间。

每一线数据图像占用的时间为：

一帧图像占用的总时间为:

每一线数据图像实际显示时间为：

一帧图像的实际显示时间为：

一帧图像的最大显示时间为：

设驱动模块线数为s，场频为F。

则有下式成立：

可以求出tt,n(x):

定义锁存时间系数ZSTR=(x+2m-x-1)

时间系数ZSTR在工程中实际意义是一帧图像的总时间片数，即在扫描过程中，不是等一线图像数据送上屏体后再锁存，而是先用tt,m(x)对数据进行扫描。因此，在一帧时间内一共锁存了ZSTR×s次。

定义点亮时间与总显示时间的比值为显示屏的点亮效率。记为：

从上式可以看出，x的值取得越大，点亮效率就越低，显示屏就越暗。

从扫描驱动的角度来看，LED显示屏的分时时钟数为C，每种基色的数据线宽为WF，设LED的扫描频率为f。将一行数据全部送上屏体，则应该满足以下式子：

则 f≥WF×C×s×F×(x+2m-x-1)

即 fmax≥f≥WF×C×s×F×(x+2m-x-1)

在设计LED显示屏时，选取合适的扫描频率，且不能超过最大扫描时钟频率fmax。

3 基于单片机的LED扫描屏设计

本设计采用STM32单片机，在本系统中，ARM单片机作为LED显示屏作核心，完成行列扫描以及控制，系统框图如图5所示。

图5 系统框图

其中，由于STM32单片机的SPI功能很强大，SPI时钟频率最大可以达到18M,因此本设计采用单片机的SPI串行总线对LED显示屏进行扫描。由SPI总线特性知，一路时钟只能对应一路数据，SPI总线的数据量就是LED显示屏接收到的最大数据量。由此可知道，SPI总线的时钟频率是一个扫描周期内所收到的数据量的总和[5]。即：

其中fSPI是SPI总线频率，f是LED扫描频率，WLED为一个时钟驱动的数据量。

由 f≥WF×C×s×F×(x+2m-x-1)可知，有

由此确定SPI总线扫描频率，以此满足系统要求。

所以对于一个LED扫描系统，我们首先要确定LED屏的基本参数，其次确定SPI总线频率，确定扫描频率，以满足要求，最后，根据要求计算锁存信号时序和消隐信号时序，确定扫描方式，设计硬件电路，编程、调试。

4 总结

本文提出了一种LED灰度调制算法，明确了LED显示屏灰度扫描之间各种参数的关系，最后文章给出了一种基于SPI总线设计的LED显示屏设计方法。相对于传统的方法，极大程度的降低了成本。STM32单片机有着极高的指令效率和时钟效率，运算能力也很强大，简化了硬件设计的难度，缩短了开发周期。通过这种灰度调制算法模型，计算信号时序、点亮效率和设计参数等等的约束关系等等，提供了有力的理论依据。实现的LED灰度显示可以同时兼顾显示屏的灰度以及亮度的效果，最大程度的降低制造成本，实现资源利用的最优化。