LED電子顯示屏真彩顯示的關鍵技術介紹

自八十年代以來，隨著公共場合信息的增多，建立性能優(yōu)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(jù)應用場合的不同，要求的顯示性能以及對顯示系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(nèi)容，并且能夠根據(jù)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(jié)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(fā)現(xiàn)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(nèi)外顯示屏媒體。
　　
同時，伴隨著科學技術的發(fā)展，當今半導體發(fā)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(xiàn)，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(tǒng)成為LED器件應用的重要領域，進而推動了大型顯示屏系統(tǒng)發(fā)展并形成一種產(chǎn)業(yè)。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(nèi)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(huán)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(shù)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(xiàn)。
　　
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(shù)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(zhì)量較差等缺點，電子顯示屏所顯示的圖象質(zhì)量也受到了限制，為此，北京銀河電腦公司于1998年研制開發(fā)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(shù)據(jù)與VGA數(shù)據(jù)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(shù)字RGB格式為8：8：8，各可以產(chǎn)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(xiàn)
　　
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(xiàn)圖像色彩的還原再現(xiàn)。紅、綠、藍的純正度直接影響圖像色彩再現(xiàn)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(fā)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(xiàn)真實性的客觀指標。為了再現(xiàn)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：?
　?、偌t、綠、藍三色的波長應分別為：660nm、525nm、470nm左右；?
　?、诓捎?管單元配白光為佳（多管單元也可以，取決于光強）；?
　?、奂t、綠、藍三色的灰度級為256級；?
　?、鼙仨毑捎冕槍ED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(tǒng)硬件實現(xiàn)，也可由播放系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。
　　
3、專用顯示驅(qū)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(qū)動；②直流驅(qū)動；③恒流源驅(qū)動。對于戶內(nèi)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(wěn)定、高亮，必須采用直流驅(qū)動加恒流源方式。
　　
較早的LED電子顯示屏驅(qū)動電路大多采用低壓信號的串并轉換CMOS電路和大電流驅(qū)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(qū)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(fā)生產(chǎn)出TPIC6B595(TPIC6C595)專用集成電路（ASIC），它將串并轉換和大電流驅(qū)動合二為一，這種ASIC具有如下顯著特點：并行輸出驅(qū)動能力大，單路驅(qū)動電流高達200mA，可直接驅(qū)動LED；電流電壓范圍寬，工作電壓可在5～15V內(nèi)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(shù)據(jù)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(qū)動。
　　
我國的無錫東大先行微電子有限公司也于1998年生產(chǎn)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(qū)動分辨率較高全彩顯示屏時需要TPIC6B595的數(shù)量較大，且256級灰度控制較麻煩。

為此，美國TI公司研制開發(fā)出LED電子屏顯示驅(qū)動專用集成電路TLC5901/5902/5903，這種ASIC的優(yōu)點是：恒流源輸出5～80mA（或10～120mA）；驅(qū)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(diào)；時鐘同步的8位并行數(shù)據(jù)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(qū)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(qū)動專用芯片TLC5921。北京華虹集成電路設計公司也研制開發(fā)出性能優(yōu)良的LED專用集成電路9701，這種ASIC具有如下顯著特點：內(nèi)含8×16×32數(shù)據(jù)掃描陣列，實現(xiàn)從靜態(tài)至1/32動態(tài)掃描；數(shù)據(jù)輸入掃描陣列和數(shù)據(jù)輸出灰度控制分別采用兩個獨立的時鐘；采用8位并行數(shù)據(jù)輸入和8位并行數(shù)據(jù)輸出的級連功能；16個數(shù)據(jù)輸出端，每個端驅(qū)動LED電流可達80mA以上，每個端數(shù)據(jù)輸出耐壓大于20V；數(shù)據(jù)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。