CN101908313B - 多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，数字显示系统列方向由多路PWM驱动，行方向逐一选通，统计数字图像各行的能量分布，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，小于门限TG的灰度值以随机PWM驱动。本发明还提供一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，包括多路随机数资源分配单元，其输入部分连接有行能量分布统计单元和随机数发生单元，输出部分连接有行列信号发生单元，行列信号发生单元的输出连接有行驱动单元、列固定脉宽驱动单元和列动态脉宽驱动单元。本发明根据数字图像内容决定脉宽驱动方法，结合随机数资源的优化分配，使驱动脉冲较均匀分布，降低峰值干扰，提高系统稳定性。

Description

多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法及装置

技术领域

本发明涉及脉宽调制技术领域，特别是一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，适用于LED、LCD、PDP、FED等数字显示系统或其他使用数字扫描控制方式的显示领域。

背景技术

显示器件的灰度等级是指图像由黑色到白色之间的亮度层次。灰度等级越多，图像从黑到白的层次就越丰富，细节也就越清晰，图像就越柔和。各种显示器由于结构、工作原理的不同，实现灰度显示的方案也不尽相同。目前，灰度调制主要有以下几种方法：幅值调制法、空间灰度调制法、时间灰度调制法。

幅值调制法其原理是基于显示器件在一定范围内，其发光强度与驱动电压或电流具有线性关系的特性，由于器件的线性区间窄，往往难以达到较高的控制精度。

空间灰度控制法将一定数目的像素作为一个单元，然后控制单元内各子象素的亮态和暗态的数目，从而实现不同的灰度等级。实际上加大了显示单元和驱动电路的数量，降低了显示分辨率。

时间灰度调制法利用人眼的视觉暂留特性，在时间上将一个显示周期分成若干个时间片断，通过控制显示单元在一个周期中显示的时间片断数来实现灰度级。其典型实现如子场灰度和脉宽灰度调制。子场灰度调制法将一场数据分成几个部分，每个部分的点亮时间对应不同权值，通过组合可形成不同的灰度。子场灰度调制法在在PDP上的应用较为成熟，但低权值的子场在高灰度级时容易被脉冲上升和下降时间所湮灭，因而要求高驱动频率，电路实现的难度大，另外易导致“运动假轮廓”等现象。

脉冲宽度调制法（PWM）又称占空比法，这种方法是在扫描脉冲对应的数据显示时间中产生一个灰度调制脉冲。脉冲的宽度可以划分为多个等级，不同的宽度等级代表不同的灰度信息，从而可以使被选通的像素实现不同的灰度等级。PWM方式根据数据大小不同，在一个周期内输出驱动脉冲的占空比将产生相应的变化。

如图2所示为PWM调制法的一示例，以8位数据为例，输出的脉宽信号与数值大小成比例关系。当数据最大时（脉冲1）脉冲高电平占满整个周期，达到全占空比；当数据为最大数据的一半时（脉冲2）则脉冲高电平占整个周期的一半，以此类推，当数据为0时，则整个周期内脉冲为低电平。

这种灰度调制方法可以很容易地通过数字电路控制将灰度信息携带在列信号脉冲上，是平板显示器中常用的灰度实现方案，尤其对电流型器件，如LCD、PDP、FED、OLED、LED的驱动电路中均有采用。对于数字显示器，一般为点阵式扫描显示。假设需显示N行数据，每行均显示M个像素即有M列。PWM方法应用的典型方案是N行中每行固定驱动选通T时间，在每个T时间内通过多路PWM方法驱动产生列方向数据，电路实施中常利用大功率MOS管作为行驱动，集成多路PWM信号发生芯片作为列驱动。在选通下一行以及产生下一组多路PWM列驱动之前往往需要进行、列消隐，以避免行、列数据切换引起的数据错位显示，因此为行驱动选通->多路PWM列驱动->行消隐->列消隐->下一行选通->下一组多路PWM列驱动这一典型的驱动顺序，其他驱动方案与此原理类似。

图2为以上PWM方案的典型驱动波形图，可以理解其为某一行像素列方向的多路PWM驱动脉冲。其特点是左对齐，即行内的所有像素在行选通后的同一时刻开始驱动过程，经过不同PWM周期后停止驱动。图3为这种驱动方式所对应的动态功率示意图，显然在某一行的所有像素同时开始驱动时功率消耗达到最大值，并且在每行的同一时刻均会出现该峰值。这种驱动方式导致周期为T的功率峰值干扰，为整体电路带来不稳定因素，并易引起芯片损坏。

图4为中心对齐式PWM方案的典型驱动波形图，其特点是中心对齐，即每行内所有像素的驱动波形以某一时间点作为波形的中心点而左右对称。多路PWM驱动芯片也常采用该驱动形式，如北方华虹公司的BHL2000芯片、Supertex公司的HV632芯片等。图5为这种驱动方式所对应的动态功率示意图，显然在每一行的所有像素驱动波形中心点功率消耗达到最大值，这种驱动方式同样导致周期为T的功率峰值干扰。

与此类似，电力系统三相驱动也常采用PWM方式，传统PWM确定式通断控制方式易产生某些幅值很大的高次谐波，是引起噪声和振动的主要原因。近年来随机PWM方法引起广泛关注，其实现方法包括随机开关PWM、随机开关频率 PWM、随机脉冲位置PWM等，以上方法均未考虑随机PWM技术的多路应用，且较少在数字显示系统中得到应用。由于数字显示系统中一般采取行选通且多路列同时驱动的方式，具有特殊的并行性、实时性、多路性。因此，本发明在随机脉冲位置方法的实现思路基础上，结合数字显示器的显示内容和行、列多路扫描实现的特殊性，以及系统硬件资源的有限性，设计改进的功率均衡方法以降低显示系统峰值干扰。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法及采用该方法实现的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，该方法及装置有利于降低峰值干扰，提高系统稳定性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，其特征在于：数字显示系统采取列方向由多路PWM驱动，行方向逐一选通的驱动形式，每一行显示时间为T，每行中统计数字图像该行的能量分布，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，小于脉宽时间门限TG的灰度值以随机PWM驱动。

本发明还提供了一种采用上述方法实现的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，包括多路随机数资源分配单元，其特征在于：所述多路随机数资源分配单元输入部分连接有行能量分布统计单元和随机数发生单元，输出部分连接有行列信号发生单元，行列信号发生单元的输出连接有行驱动单元、列固定脉宽驱动单元和列动态脉宽驱动单元。

本发明的有益效果是：本发明根据显示图像的特点对多路脉宽调制数字显示系统的功率进行动态均衡处理，大于门限TG的像素为近似均匀分布，发明中采用固定中心位置脉宽调制驱动；小于门限TG的像素驱动脉宽尽量与大于TG的脉宽错开，发明中采用随机位置脉宽调制，由此实现总体脉宽较为均衡分布。此外，本发明还对随机位置脉宽产生机制进行优化处理，当所需随机数较少时，提高随机数产生精度；当所需随机数较多时，减小随机数产生精度，从而所需总资源固定，易于实现。

本发明的上述以及其他特征、优点，通过以下附图和实施例做进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡装置的组成逻辑框图。

图2是现有技术左对齐PWM方案的典型驱动波形图。

图3是与图2对应的动态功率示意图。

图4是现有技术中心对齐PWM方案的典型驱动波形图。

图5是与图4对应的动态功率示意图。

图6是本发明多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的驱动波形图。

图7是与图6对应的动态功率示意图。

具体实施方式

本发明中多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，数字显示系统采取列方向由多路PWM驱动，行方向逐一选通的驱动形式，每一行显示时间为T，每行中统计数字图像该行的能量分布，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，小于脉宽时间门限TG的灰度值以随机PWM驱动。

上述脉宽时间门限TG由数字图像中某一行的能量分布计算而得，其能量分布具体为各阶灰度的统计分布，即不同时长脉宽信号的统计分布；TG为该能量分布的分界点，以T/2为典型值。

数字图像一行数据中，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，其对齐时间点位于行显示时间T的中心位置。数字图像一行数据中，小于脉宽时间门限TG的灰度值以随机PWM驱动，其随机数产生区域位于行显示时间T内，且在脉宽时间门限TG之外。

以随机PWM驱动的图像像素，其随机数的产生服从高斯分布，分布中心点位于时间（T-TG）的两侧中心位置。

本发明采用上述方法实现的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，其组成逻辑框图如图1所示，包括多路随机数资源分配单元13，多路随机数资源分配单元13输入部分连接有行能量分布统计单元11和随机数发生单元12，输出部分连接有行列信号发生单元14，行列信号发生单元的输出连接有行驱动单元15、列固定脉宽驱动单元16和列动态脉宽驱动单元17。

上述随机数发生单元12与小于脉宽时间门限TG的像素一一对应。

上述列固定脉宽驱动单元16数量小于行像素总数，典型值为行像素的1/2。

上述列动态脉宽驱动单元17数量小于行像素总数，典型值为行像素的1/2。

与上述列动态脉宽驱动单元17对应的随机数发生单元，其硬件资源总数是固定的，每个随机数获得的硬件资源是动态分配的。

数字图像每行像素信号通过行能量分布统计单元11输入至多路随机数资源分配单元13，多路随机数资源分配单元13据此计算出门限TG。多路随机数资源分配单元13根据TG区分需固定脉宽驱动的像素和需随机脉宽驱动的像素，并为随机数发生单元12分配计算资源，随机数发生单元12计算出多路随机数后反馈至多路随机数资源分配单元13。多路随机数资源分配单元13发送固定脉宽以及随机脉宽信息至行列信号发生单元14，行列信号发生单元14产生行、列驱动脉冲时序，并由行驱动单元15、列固定脉宽驱动单元16和列动态脉宽驱动单元17输出驱动脉冲。

具体的，行能量分布统计单元11接收来自硬件或软件接口的数字图像信号，接收完一行信号后根据该行图像信号进行能量分布统计。其能量分布可认为是典型的各阶灰度的统计分布，也为不同时长脉宽信号的统计分布。

行能量分布统计单元11统计行能量分布的分界点，定义为TG，以T/2为典型值。计算该能量分布及其分界点的目的是为区分固定脉宽驱动的像素和动态脉宽驱动的像素。若TG值趋近于T，即所有像素都以固定脉宽方式驱动，显然不具有动态功率均衡优点；若TG值趋近于0，即所有像素都以动态脉宽方式驱动，则需要耗费太大的软硬件资源用于产生随机数，代价太高。之后行能量分布统计单元11将能量分界点输出至多路随机数资源分配单元13。

多路随机数资源分配单元13根据TG区分需固定脉宽驱动的像素和需随机脉宽驱动的像素，大于门限TG的灰度值以中心对齐式PWM方式驱动，其对齐时间点位于该行显示时间T的中心位置；小于门限TG的灰度值以随机PWM方式驱动，其随机数产生区域位于行显示时间T内，且在TG之外，如图6所示。

随机数的产生由随机数发生单元12实现，随机数发生单元12由多路随机数资源分配单元13分配计算资源。典型实施方法如在可编程逻辑器件（FPGA）中建立m个D触发器，实现m级线性反馈移位寄存器，即可产生2m个均匀随机状态。另外以随机PWM方式驱动的图像像素，其随机数的产生最终服从高斯分布，该分布中心点位于时间（T-TG）的两侧中心位置，即用高斯波形调制均匀随机状态。

随机数发生单元12计算出多路随机数后反馈至多路随机数资源分配单元13，由多路随机数资源分配单元13建立起该行中各个像素及其固定或随机脉宽发生点之间的对应关系。

多路随机数资源分配单元13发送固定脉宽以及随机脉宽信息至行列信号发生单元14，该信息包括脉宽宽度以及脉宽信号发生点位置，行列信号发生单元14产生行、列驱动脉冲时序，并由行驱动单元15、列固定脉宽驱动单元16和列动态脉宽驱动单元17输出驱动脉冲，最终动态功率分布示意图如图7所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，其特征在于：数字显示系统采取列方向由多路PWM驱动，行方向逐一选通的驱动形式，每一行显示时间为T，每行中统计数字图像该行的能量分布，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，小于脉宽时间门限TG的灰度值以随机PWM驱动；所述脉宽时间门限TG由数字图像中某一行的能量分布计算而得，其能量分布具体为各阶灰度的统计分布，即不同时长脉宽信号的统计分布；TG为该能量分布的分界点。

2.根据权利要求1所述的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，其特征在于：数字图像一行数据中，大于脉宽时间门限TG的灰度值以中心对齐式PWM驱动，其对齐时间点位于行显示时间T的中心位置。

3.根据权利要求2所述的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，其特征在于：数字图像一行数据中，小于脉宽时间门限TG的灰度值以随机PWM驱动，其随机数产生区域位于行显示时间T内，且在脉宽时间门限TG之外。

4.根据权利要求1所述的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的方法，其特征在于：以随机PWM驱动的图像像素，其随机数的产生服从高斯分布，分布中心点位于时间（T-TG）的两侧中心位置。

5.一种采用如权利要求1、2、3或4所述方法实现的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，包括多路随机数资源分配单元，其特征在于：所述多路随机数资源分配单元输入部分连接有行能量分布统计单元和随机数发生单元，输出部分连接有行列信号发生单元，行列信号发生单元的输出连接有行驱动单元、列固定脉宽驱动单元和列动态脉宽驱动单元。

6.根据权利要求5所述的多路脉宽调制数字显示系统功率动态均衡的装置，其特征在于：所述随机数发生单元与小于脉宽时间门限TG的像素一一对应。

7.根据权利要求5所述的多路脉宽调制功率动态均衡的装置，其特征在于：所述列固定脉宽驱动单元数量小于行像素总数。

8.根据权利要求5所述的多路脉宽调制功率动态均衡的装置，其特征在于：所述列动态脉宽驱动单元数量小于行像素总数。

9.根据权利要求5所述的多路脉宽调制功率动态均衡的装置，其特征在于：与所述列动态脉宽驱动单元对应的随机数发生单元，其硬件资源总数是固定的，每个随机数获得的硬件资源是动态分配的。

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