CN109147653A - 一种led驱动芯片显示控制os-pwm方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种LED驱动芯片显示控制OS‑PWM方法，属于LED显示技术领域。步骤1：设定显示灰度二进制数据位数N，刷新倍数2^K，优化等级G，N为正整数，K、G为小于N的非负整数；步骤2：将灰度数据划分为M位高阶数据和L位低阶数据，其中，M+L＝N且M＞L，M、L为正整数；步骤3：根据刷新倍数2^K，将整个显示周期，共计2^N个时钟周期，打散成2^L×2^K个子周期；步骤4：根据刷新倍数2^K和优化等级G，将M位高阶数据平均分配到2^L×2^K个子周期中；步骤5：根据刷新倍数2^K和优化等级G，将剩余L位低阶数据均匀分配到2^L×2^K个子周期中；步骤6：根据LED显示的行数R和通道数C，分别应用R×C次步骤1～步骤5，生成PWM控制LED显示，R、C为正整数。

Description

一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法

技术领域

本发明涉及LED显示技术领域，特别涉及一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法。

背景技术

LED作为新型半导体照明材料，凭借其功耗低、寿命长、体积小、成本低、高效安全以及绿色无污染等优点，在照明设备、显示屏及其他电子设备中得到广泛应用。小点间距LED显示屏具有无缝拼接、色彩自然真实、画面清晰、模块化维护、显示均匀性好的等优点，满足显示屏对高清晰、高细腻和近距离欣赏显示效果的需求，逐渐成为研究热点。

LED显示驱动方式大致可分为DC-DC、电阻限流以及恒流驱动。DC-DC主要包括降压型、升压型和降压-升压性三种拓扑结构，功耗较低，但外部电路复杂，通常应用于大功率LED照明。电阻限流成本低，但无法精确控制LED工作电流，亮度调节困难，LED使用寿命低。多路恒流LED驱动芯片通过串行数字信号和PWM配合使用，具有匹配性好、精准电流控制，高灰度显示，达到良好显示效果，在小点间距LED驱动芯片中得到广泛应用。

在传统多路恒流LED驱动芯片中，多采用PWM方式进行显示控制，通过控制LED亮/暗的时间，达到不同灰阶亮度的显示效果。当所显示的灰阶亮度较低时，也即LED在工作周期内的发光时间较短，而连续不发光的时间则较长，此时人眼容易感觉到闪烁现象。在小点间距LED显示屏中，传统的PWM存在刷新率较低、灰度等级不高、低灰效果不理想等问题，无法满足显示屏对画面真实细腻、色彩逼真的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，以解决现有的低灰色块、偏色、麻点、第一行偏暗等问题，使显示画面更加清晰、细腻真实。

为解决上述技术问题，本发明提供一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，包括如下步骤：

步骤1、设定显示灰度二进制数据位数N，刷新倍数2^K，优化等级G，N为正整数，K、G为小于N的非负整数；

步骤2、将灰度数据划分为M位高阶数据和L位低阶数据，其中，M+L＝N且M＞L，M、L为正整数；

步骤3、根据刷新倍数2^K，将整个显示周期，共计2^N个时钟周期，打散成2^L×2^K个子周期；

步骤4、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将M位高阶数据平均分配到2^L×2^K个子周期中；

步骤5、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将剩余L位低阶数据均匀分配到2^L×2^K个子周期中；

步骤6、根据LED显示的行数R和通道数C，分别应用R×C次步骤1～步骤5，生成PWM控制LED显示，R、C为正整数。

可选的，在所述步骤1中，N位二进制灰度数据D_N-1D_N-2...D₁D₀由外部输入至驱动芯片中，范围为0～2^N-1，其中N为正整数；刷新倍数2^K为在打散成2^L个子周期的基础上，进一步打散提高的刷新倍数，2^K可取1、2、4、8......2^K；优化等级G，为在低灰度时设定的参考时钟周期数2^G，要求每个子周期中每组灰价对应的PWM脉冲不小于设定的参考时钟周期数2^G，优化等级G可取0、1、2、3、…..、G，对应设定的参考时钟周期数依次为20、2¹、2²、2³、...、2^G，K、G均为小于N的非负整数。

可选的，所述步骤2中，M表示每个打散子周期的时钟周期数为2^M，L表示整个显示周期最小打散的子周期个数为2^L，此时M位高阶数据和L位低阶数据的PWM脉冲个数分别为D_N-12^N-1+D_N-22^N-2+...+D_N-M2^N-M和D_L-12^L-1+D_L-22^L-2+...+D_L-02^L-0；通过一个M位的计数器CNT1计数每个子周期时钟周期数，一个L位的计数器CNT2计数打散的子周期个数，M位的计数器CNT1优先计数，在每个时钟上升沿加1，当M位的计数器CNT1溢出时L位的计数器CNT2自动累加。

可选的，所述步骤1中，每个子周期的时钟周期数为2^M-K，整个显示周期依旧为2^N；对应N位的灰度数据，经过步骤3打散之后的总灰度不变。

可选的，所述步骤4中，每个子周期中PWM脉冲个数T_M为D_N-12^M-K-G-1+D_N-22^M-K-G-2+...+D_N-M+K+G2⁰，在每个子周期中，M位的计数器CNT1从0～T_M-1依次输出PWM脉冲。

可选的，所述步骤5中，每个子周期中PWM脉冲个数T_L不超过2^G，并按照均匀分配原则分布到各子周期中，所述均匀分布原则为按照{K&CNT1[M-K+1:M]，CNT2[0:5]}顺序，在M位的计数器CNT1为T_M时，依次将T_L个PWM脉冲输出。

可选的，所述步骤6中，对于多行扫多通道恒流LED驱动芯片，显示数据串行输入，在每一个子周期完成之后，进行换行显示操作，各通道互不干扰同时显示，直至显示完所有数据。

可选的，在所述步骤1中，设定每个子周期最小PWM脉冲数，由优化等级G决定，所述优化等级G不超过4。

可选的，对于LED显示首行偏暗的现象，增加计数器反向计数设计，在通道打开前，提前预留时间降低列上的电压，使电容提前放电。

可选的，当灰度值特别小，通常为个位数时，低灰显示效果较差，增加置换低灰度值设计，设置一个灰度阈值，当灰度值低于该阈值时，将该阈值作为该灰度值使用，可有效地改善低灰显示效果。

在本发明中提供了一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，步骤1：设定显示灰度二进制数据位数N，刷新倍数2^K，优化等级G，N为正整数，K、G为小于N的非负整数；步骤2：将灰度数据划分为M位高阶数据和L位低阶数据，其中，M+L＝N且M＞L，M、L为正整数；步骤3：根据刷新倍数2^K，将整个显示周期，共计2^N个时钟周期，打散成2^L×2^K个子周期；步骤4：根据刷新倍数2^K和优化等级G，将M位高阶数据平均分配到2^L×2^K个子周期中；步骤5：根据刷新倍数2^K和优化等级G，将剩余L位低阶数据均匀分配到2^L×2^K个子周期中；步骤6：根据LED显示的行数R和通道数C，分别应用R×C次步骤1～步骤5，生成PWM控制LED显示，R、C为正整数。

本发明的有益效果在于：

(1)在传统的PWM显示算法基础之上，通过OS-PWM算法将显示周期打散，在不改变总灰度的前提下，提高了整体的刷新率；

(2)将灰度数据进行分割，均匀分配，PWM脉冲对称输出，显示效果更加清晰逼真、色彩细腻真实；

(3)针对低灰色块、偏色、麻点、第一行偏暗等问题，对OS-PWM算法进行补充设计，有效地解决了上述问题；

(4)给出了一种通用的设计方法，适用于多通道恒流LED驱动芯片显示控制，具体参数可根据需求自行定义，灵活性和适用性强。

附图说明

图1是LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法的流程示意图；

图2是32扫16通道恒流LED驱动芯片的整体结构图；

图3是传统PWM显示控制图；

图4是打散PWM显示控制图；

图5是OS-PWM打散64、128、256、512组显示控制图；

图6是OS-PWM算法32行扫16通道显示控制图；

图7是OS-PWM算法优化等级显示控制图；

图8是OS-PWM算法反向计数和低灰度替换控制图；

图9是应用OS-PWM算法的实例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

本发明提供了一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其流程示意图如图1所示。所述LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法包括如下步骤：

STEP1、设定显示灰度二进制数据位数N，刷新倍数2^K，优化等级G，N为正整数，K、G为小于N的非负整数；

STEP2、将灰度数据划分为M位高阶数据和L位低阶数据，其中，M+L＝N且M＞L，M、L为正整数；

STEP3、根据刷新倍数2^K，将整个显示周期，共计2^N个时钟周期，打散成2^L×2^K个子周期；

STEP4、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将M位高阶数据平均分配到2^L×2^K个子周期中；

STEP5、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将剩余L位低阶数据均匀分配到2^L×2^K个子周期中；

STEP6、根据LED显示的行数R和通道数C，分别应用R×C次STEP1～STEP5，生成PWM控制LED显示，R、C为正整数。

本发明适用于多通道恒流LED驱动芯片，图2所示为能够应用本发明的32扫16通道恒流LED驱动芯片的整体结构图。请参阅图2，R-EXT为外挂电阻输入端，可调节输出端恒流值；GCLK为灰度显示周期；DCLK为数据时钟，用于写入数据或指令；LE为数据与指令的锁存端，不同的LE长度代表不同指令；SDI为串行数据输入端；SDO为串行数据输出端；GND为接地端；OUT0-OUT15为16通道的恒流输出端。整个芯片包括数字和模拟两个部分，模拟部分配合数字部分产生特定大小恒定的输出电流。其中，模拟部分包括电压基准、振荡器、输入输出保护(ESD)、过温保护、输出电流调节、输出电流镜像等模块；数字部分主要包括时钟和复位产生模块、LE指令译码模块、串行输入输出模块、RAM控制模块、开路功能模块、寄存器配置模块、主要控制逻辑模块、PWM生成模块和DEBUG测试模块。

在图2中，输出电流调节器代表的就是芯片的整个模拟部分，比较器与16位的计数器则构成了OS-PWM信号的输出模块，同步控制器则控制了整个芯片各个模块之间的协调工作，对状态寄存器的数据的读写依靠16位位移寄存器来完成，灰阶数据缓存的更新方式依赖于状态寄存器内数据位的具体数值。通过16位位移寄存器将串行数据转换成并行数据输入灰阶数据16kB SRAM缓冲器当中，然后调制成OS-PWM信号进行输出。并且每个通道间的电流大小不受负载的影响，透过外接电阻的大小来调整输出电流的大小。

图3所示为传统PWM显示控制图。在传统LED驱动芯片中，多基于外置PWM和内建PWM两种方式进行显示控制。外置PWM利用外部控制器来控制每颗LED灯珠的导通时间，使LED屏表现出期望的亮度和灰度。而内建PWM只需固定传递灰度数据，其LED灯珠的导通时间由驱动芯片内部的计数器GCLK进行控制，无需外部控制信号，较外置PWM提高了刷新率。在图3中，以4位灰度数据4’b0101为例，具有16级灰度，T为一次显示周期，t为每一个小时钟周期，T＝15t。在外置PWM控制系统中，一组数据的发送需要分4次完成，每次传输一位数据，考虑到计数时间，这就导致时序的浪费和刷新率的降低；内建PWM中驱动芯片自带计数功能，一次就可以发送完一组数据。较外置PWM，内建PWM设计更加容易，刷新率高。但同样存在集中显示，整体刷新率仍然较低。

图4所示为打散PWM显示控制图。打散PWM是基于传统PWM功能的改进，其原理是将一组数据的导通时间打散成几个较短的时间段，每个较短的时间段均保持原先的占空比，以增加LED显示屏的整体刷新率。内建的SPWM技术将原本每计数周期T从亮到灭的过程方式，平均打散成多个等份并维持原先未打散前的占空比。在图4中，以4位灰度数据4’b1100为例，根据二进制位权机制，通过时间占空比显示其灰度，即一组数据周期需要点亮LED的时间长度为12t，熄灭时间为3t；而根据SPWM的工作原理，则将点亮时间平均打散为3个等份，每份5t，亮灭1t，总的占空比保持不变(4:1)，总点亮时间依然是12t，从而在不影响灰度和亮度的情况下提高了LED显示屏的刷新率。

图5是OS-PWM打散64/128/256/512组显示控制图。以应用本发明的32扫16通道恒流LED驱动芯片为例，16位灰度数据，拥有65536种灰度。如果在传统PWM模式下，LED灯珠在低灰度时将有相当长的熄灭时间，造成人眼可辨的闪烁。而利用SPWM技术将PWM数据打散，就可以避免低灰条件下的闪烁问题。将16位数据分为10位的高阶数据和6位的低阶数据。由于高10位的高阶数据在图像显示中占有主要作用的地位，故采用将高阶数据计数打散的方式来提高LED显示屏的刷新率。高阶数据的计数周期打散后将重复计数多次，再加上一次低阶数据的计数周期，就可以达到和未分解的PWM一样的分辨率。如图5所示，将一个显示周期T分为64等分，每份以10位1023t为基础，和一个低位数据的计时时钟周期t，组成1024个计数周期。这样总计仍为1024t*64＝65536t＝T，总灰度不变，但刷新率提高了64倍。同理。打散成128/256/512组，即刷新倍数K为1/2/3时，也提高了相应的倍数。

图6所示为OS-PWM算法32行扫16通道显示控制图，以应用本发明的32扫16通道恒流LED驱动芯片为例，在每一个打散周期内，从0-31行依次进行切换输出。考虑到不同的应用场景，将打散情况设计为可配置：64组、128组、256组和512组，分组数可配，但总的GCLK周期不变，由此便可得到不同的刷新率。分组数目越多，打散情况越好，刷新率越高，但同时输出开关的开关频率也越高。在每一个打散的组中，PWM波形的脉宽将会最大可能平均。比如OS-PWM模式被配置为打散64组，分别命名为GROUP0、GROUP1……GROUP63，如果灰度为128，每组脉宽的最大可能平均将会为2个GCLK周期，如果灰度为132，除了GROIJP0、GROUP16、GROUP32、GROUP48中的脉宽为3个GCLK周期，其他仍为2个GCLK周期，即平均后多余的4个灰度将会平均分配到4组里，每组之间隔15组以达到尽可能的平均分布。其分布按照CNT2[0:5]顺序，优先按此顺序进行分配，需要注意的是，PWM输出显示的顺序仍然为0-1-2-…-63。

图7是OS-PWM算法优化等级显示控制图。在数字PWM波形的上升沿和下降沿，如果边沿倾斜很小，模拟通道将不能快速反应数字信号的变化，另外在每颗芯片之间或者芯片通道之间的工作过程不可能完全一样，产生的脉冲倾斜也将不同，由此会在LED显示屏上产生“麻点”现象。这种情况在低灰条件更为明显，因为打散的脉宽将更小。本发明增加了优化等级G，在低灰条件下，设定每个子周期最小PWM脉冲数，如图7所示，当优化等级G＝1时，每个子周期的最小PWM脉冲数为2个GCLK，当优化等级G＝2时，每个子周期的最小PWM脉冲数为4个GCLK，当优化等级G＝3时，每个子周期的最小PWM脉冲数为8个GCLK，增加通道打开时间，提高亮度，增强显示效果，解决“麻点”现象。以应用本发明的32扫16通道恒流LED驱动芯片为例，支持0/1/2/3优化等级，刷新倍率为1/2/4/8，如表1所示。

表1.优化等级和刷新倍率表

图8是OS-PWM算法反向计数和低灰度替换控制图。对于LED显示首行偏暗的现象，增加计数器反向计数设计，在通道打开前，提前预留时间，图8中预留12个GCLK时间，降低列上的电压，使电容提前放电，有助于解决首行偏暗的问题。当灰度值特别小时，图8中输入灰度大小为3，低灰显示效果较差，本发明增加置换低灰度值设计，设置一个灰度阈值，图8中该阈值为7，当灰度值低于该阈值时，将该阈值作为该灰度值使用，可有效地改善低灰显示效果。

图9是应用OS-PWM算法的实例。具体步骤为：

(1)16位二进制灰度数据D₁₅D₁₄D...D₁D₀，由外部输入至驱动芯片中，范围为0～65535，刷新倍数2^K＝1、2、4、8倍，为在打散成64个子周期的基础上，进一步打散提高的刷新倍数；优化等级G＝0、1、2、3，要求每个子周期中每组PWM脉冲不小于设定的参考时钟周期数1、2、4、8个GLCK；

(2)将灰度数据划分为10位高阶数据和6位低阶数据，每个打散子周期的时钟周期数为1024个GCLK，整个显示周期最小打散的子周期个数为64。在设计中定义一个10位的计数器CNT1用于计数每个子周期时钟周期数，6位的计数器CNT2用于计数打散的子周期个数，优先计数CNT1，在每个时钟上升沿加1，当CNT1溢出时CNT2自动累加；

(3)根据刷新倍数，将整个显示周期打散成64、128、256、512个子周期，此时每个子周期的时钟周期数为1024、512、256、128个，整个显示周期依旧为65536个GCLK；

(4)根据刷新倍数和优化等级，将10位高阶数据平均分配到64、128、256、512个子周期中，每个子周期中PWM脉冲个数为T_M＝D₁₅2^9-K-G+D₁₄2^8-K-G+...+D_6+K+G2⁰，在每个子周期中，CNT1从0～T_M-1依次输出PWM脉冲；

(5)将剩余6位低阶数据均匀分配到64、128、256、512个子周期中，此时每个子周期中PWM脉冲个数T_L不超过1、2、4、8个，并按照均匀分配原则分布到各子周期中，其均匀分布原则为按照CNT2[0:5]、{CNT1[9]，CNT2[0:5]}、{CNT1[8：9]，CNT2[0:5]}，{CNT1[7：9]，CNT2[0:5]}顺序，在CNT1为T_M时，依次将T_L个PWM脉冲输出；

(6)根据行数32和通道数16，分别应用32×16次步骤(1)-步骤(5)，生成PWM控制LED显示。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设定显示灰度二进制数据位数N，刷新倍数2^K，优化等级G，N为正整数，K、G为小于N的非负整数；

步骤2、将灰度数据划分为M位高阶数据和L位低阶数据，其中，M+L＝N且M＞L，M、L为正整数；

步骤3、根据刷新倍数2^K，将整个显示周期，共计2^N个时钟周期，打散成2^L×2^K个子周期；

步骤4、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将M位高阶数据平均分配到2^L×2^K个子周期中；

步骤5、根据刷新倍数2^K和优化等级G，将剩余L位低阶数据均匀分配到2^L×2^K个子周期中；

步骤6、根据LED显示的行数R和通道数C，分别应用R×C次步骤1～步骤5，生成PWM控制LED显示，R、C为正整数。

2.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，在所述步骤1中，N位二进制灰度数据D_N-1D_N-2...D₁D₀由外部输入至驱动芯片中，范围为0～2^N-1，其中N为正整数；刷新倍数2^K为在打散成2^L个子周期的基础上，进一步打散提高的刷新倍数，2^K可取1、2、4、8......2^K；优化等级G，为在低灰度时设定的参考时钟周期数2^G，要求每个子周期中每组PWM脉冲不小于设定的参考时钟周期数2^G，优化等级G可取0、1、2、3、…..、G，对应设定的参考时钟周期数依次为2⁰、2¹、2²、2³、...、2^G，K、G均为小于N的非负整数。

3.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，所述步骤2中，M表示每个打散子周期的时钟周期数为2^M，L表示整个显示周期最小打散的子周期个数为2^L，此时M位高阶数据和L位低阶数据的PWM脉冲个数分别为D_N-12^N-1+D_N-22^N-2+...+D_N-M2^N-M和D_{L- 1}2^L-1+D_L-22^L-2+...+D_L-02^L-0；通过一个M位的计数器CNT1计数每个子周期时钟周期数，一个L位的计数器CNT2计数打散的子周期个数，M位的计数器CNT1优先计数，在每个时钟上升沿加1，当M位的计数器CNT1溢出时L位的计数器CNT2自动累加。

4.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，所述步骤1中，每个子周期的时钟周期数为2^M-K，整个显示周期依旧为2^N；对应N位的灰度数据，经过步骤3打散之后的总灰度不变。

5.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，所述步骤4中，每个子周期中PWM脉冲个数T_M为D_N-12^M-K-G-1+D_N-22^M-K-G-2+...+D_N-M+K+G2⁰，在每个子周期中，M位的计数器CNT1从0～T_M-1依次输出PWM脉冲。

6.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，所述步骤5中，每个子周期中PWM脉冲个数T_L不超过2^G，并按照均匀分配原则分布到各子周期中，所述均匀分布原则为按照{K&CNT1[M-K+1:M]，CNT2[0:5]}顺序，在M位的计数器CNT1为T_M时，依次将T_L个PWM脉冲输出。

7.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，所述步骤6中，对于多行扫多通道恒流LED驱动芯片，显示数据串行输入，在每一个子周期完成之后，进行换行显示操作，各通道互不干扰同时显示，直至显示完所有数据。

8.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，在所述步骤1中，设定每个子周期最小PWM脉冲数，由优化等级G决定，所述优化等级G不超过4。

9.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，对于LED显示首行偏暗的现象，增加计数器反向计数设计，在通道打开前，提前预留时间降低列上的电压，使电容提前放电。

10.如权利要求1所述的LED驱动芯片显示控制OS-PWM方法，其特征在于，当灰度值特别小，通常为个位数时，低灰显示效果较差，增加置换低灰度值设计，设置一个灰度阈值，当灰度值低于该阈值时，将该阈值作为该灰度值使用，可有效地改善低灰显示效果。