高清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组成部分，光电综合显示作为人机交互的桥梁，其应用日益广泛。在相当长的一段时间内，信息显示技术一直停留在阴极射线显像管（CRT）时代。然而，CRT 作为一种真空器件，其自身存在一些固有的缺点，限制了它在某些领域的应用范围。为了解决 CRT 显示器带来的问题，国内外都在加紧对平板显示器（FDP）的研制与开发。在众多的 FDP 中，发光二极管（LED）显示器因其独特的优点而备受关注：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，由于 LED 本身就是半导体器件，因此可与 IC 电路完全兼容，其控制和驱动电路也易于集成在平板显示器中，从而进一步减小显示器的体积，并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，本文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，并通过实验验证了该方案的可行性。实验结果表明，采用这种方案实现的 LED 灰度显示能够同时兼顾显示器的亮度和灰度。
一、LED 点阵灰度级产生原理
LED 点阵的每个像素点由红（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，如果 LED 点阵每个像素的红、绿、蓝 LED 的发光亮度随 CRT 对应像素点 R、G、B 信号的变化而变化，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，图像的色彩就越丰富，层次也越分明。LED 的正向伏安特性与普通二极管大致相同，在电压开启点之前无电流通过，当电压超过开启点时，便显示出导通特性。此时，正向电流 I 与正向电压 U 的关系式如下：

其中，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=300K 时，UT=26mV。在宽禁带半导体中，当 I<0.1mA 时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，此时 m=2；当电流增大后，扩散电流占优势时，m=1。U 为外加电压。

由图 1 可以看出，LED 从导通开始直到其不被烧毁的最大电流为止，其伏安特性通常是线性的。在这个线性区域内，LED 的发光强度基本正比于其电流强度。有两种方法可以实现 LED 的亮度控制：

1. 通过调节 LED 的正向电流，实现 LED 的亮度调制。例如，将 LED 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过于复杂，在实际应用中并不可行，因此在此不做讨论。
2. 控制单位时间内 LED 的导通时间。LED 具有快速的时间响应特性，最高可达数十兆赫兹，可以用脉冲方式驱动 LED 发光。例如，用 1MHz、占空比为 0.25%、峰值电流为 1A 的脉冲去驱动 LED，与用 25mA 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，可以获得不同的灰度级。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 LED 的导通时间，即可获得多灰度级显示图像。图 2 表示在周期时间 T 内，占空比分别为 1、4/7、2/7、1/7 的脉冲去驱动 LED，显然获得的亮度比为 7:4:2:1，这样最高灰度级为 7，共可获得 8 个灰度级。

二、LED 灰度级实现
CRT 图像是按帧频来刷新的，每一帧的图像可以用一个 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。每一场图像都不同，矩阵元素的值也会发生相应的变化，矩阵的表达式为：

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）又可以表示为：

它表示一场图像可以分解为 R、G、B 单色图像，同样，用 R、G、B 单色图像在空间或时间上叠加，也可以恢复原来所对应的彩色图像。
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）可以看出，一个单色图像数据矩阵可以分解为若干个二值矩阵（矩阵中每个元素均为 0 或 1）的和，每一个二值矩阵代表着一个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以由若干个 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。这意味着可以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，又可以复现出原来的单色视频图像。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 LED 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 LED 的通断，“1”表示控制 LED 通，“0”表示控制 LED 断。由于不同灰度级中“1”的个数不同，故在一周期内，LED 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 LED 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 LED 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。
三、LED 控制板的硬件实现
LED 板的硬件设计框图如图 3 所示。

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。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。在实际电路中，考虑到电路的复杂性，将 LED 屏分成 16 场显示，第一场始终不点亮，这样当然会损失一些亮度，但简化了设计。
四、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。