CN112349240A

CN112349240A - 一种led灰度显示控制系统及方法

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Publication number: CN112349240A
Application number: CN201910721442.8A
Authority: CN
Inventors: 叶宇立
Original assignee: Guangzhou Xinyi Information Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Xinyi Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-06
Filing date: 2019-08-06
Publication date: 2021-02-09
Anticipated expiration: 2039-08-06
Also published as: CN112349240B

Abstract

本发明涉及一种LED灰度显示控制系统，该系统包括LED控制器、LED显示屏,所述LED控制器具有多个第一IO口，所述多个第一IO口通过并联连接的方式与LED显示屏的LED串行数据接口连接，所述LED控制器具有选择输出模式，所述选择输出模式用于将需要输出数据的第一IO口打开，完成硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。本发明还包括一种LED灰度显示控制方法。通过本发明的算法可以在组合“线或”和“线与”时减少一半的I/O口连接，相比没有压缩的算法在同等数量的IO口作选择输出时可以输出多一倍的灰度值，同时节省了本来就有限的IO口，而市面上MCU的价格和IO的多少成正比，也就节省了成本。

Description

一种LED灰度显示控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种LED灰度显示控制系统，本发明还涉及一种LED灰度显示控制系统方法。

背景技术

LED显示屏和LED亮化灯普遍使用PWM（即：脉冲宽度调制）产生占空比，使LED灯出现不同的亮度和色彩，这样的驱动需要串行数据、行扫描数据、场数据(用于灰度显示)，完成这些功能称之为“扫描”。由于显示屏像素不断的增加(驱动LED的数量)，同时要让人眼看到没有闪烁的图像，还需要提高扫描频率，这两个因数加起来需要处理显示的控制器有着极高的速度要求，所以在灰度显示中基本上都使用FPGA来实现。

灰度控制是把每一级灰度分别独立显示，这种单独显示一级灰度的过程称为：灰度场，而在扫描一级灰度场时应把屏幕中具有大于和相同灰度值的LED像素点都输出“1”以点亮显示，少于这一级灰度值的应输出“0”不显示，并使用OE信号模似PWM控制信号来产生LED对应本灰度场的灰度，为了方便级联OE信号是全局控制的，最后通过多个灰度场的快速叠加使人眼看到没有闪烁的色彩画面。

越高的灰度级数和高扫描频率与低的读出速率是相互矛盾的，要获得高的灰度级数，就必须提高串行数据输出速度，以目前MCU的处理数据速度是难以达到三者的兼顾，解决方法之一是使用并行处理结构，而MCU没办法实现并行处理多个灰度值的输出。

公式1：扫描1帧图像时间=1T×RGB×屏幕像素×灰度级数；

说明：1T=MCU处理1个像素的周期，以时间为单位；

控制器处理数据速度>=扫描1帧图像时间×50HZ(人眼无闪烁的最小刷新周期）；

例：计算一个16级灰度×24576点RGB像素的矩阵显示屏所需的控制器速度,控制器处理数据的速度/S>=1T×3（RGB）×24576总像素×16级灰度×50HZ(人眼无闪烁的最小刷新周期）；

根据上面公式可知，在显示像素和灰度等级不变的情况1T值越大控制器需要的速度越大，本发明就是提高1T的速度，使现有MCU在性能不变的性况下能实现RGB灰度扫描。

现有技术中，FPGA方案优点是并行处理数据，速度快，通过逻辑直接输出LED灯扫描信号，其缺点是成本贵、线路复杂、元件多、体积大、不能独立播放，需要加入MCU或上位机才能播放。

此外，MCU的扫描方法基本上同FPGA是一样的，但要把大量的RGB灰度数据输出到串行接口中，程序中需要循环语句和条件语句才能控制LED灯的数据输出才能控制LED亮（数据表示为“1”）或灭（数据表示为“0”），由于MCU是流水线方式运行，无法并行处理RGB信号和多路数据，再快的MCU也只能在1个时钟周期内输出1个串行数据（实际上这是不现实的），这样时间开销就会很大，与扫描速度越快越好成相反，很难达到灰度显示级别的速度要求。

现有技术中的PED灰度显示控制无法实现高灰度高效率数据刷新。

发明内容

本发明的目的是为解决现有技术的不足，提供了一种LED灰度显示控制系统，所述系统包括LED控制器、LED显示屏,所述LED控制器具有多个第一IO口，所述多个第一IO口通过并联连接的方式与LED显示屏的LED串行数据接口连接，所述LED控制器具有选择输出模式，所述选择输出模式用于将需要输出数据的第一IO口打开，完成硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。

所述第一IO口数量与LED显示屏的灰度级数相同。

所述LED控制器还具有线或模式和线与模式，所述LED控制器还包括第二IO口，所述第二IO口与第一IO口并联连接，所述LED控制器通过线或模式和线与模式分别与选择输出模式组成，采用数据编码使用实现灰度显示控制。

所述数据编码通过以下步骤得到：

将实际扫描场数分成两组，即高亮灰度值为一组和低亮灰度值为一组，再通过增加1BIT选择位来选择高亮灰度值组或低亮灰度值组，所述实际扫描场数为原始灰度级数减1；

高亮灰度值、低亮灰度值两组数据分别采用相同的数据转换方式，把一组数据中最低灰度值的数定义为十进制数1，次低位为2，依此增加并全部转换；

将上一步骤转换完的灰度值转换为同等数量的二进制“1”,并从低位向高位方向存放，不足规定编码长度时在前面补“0”；

将经过上述编码步骤的数据编码一一对应输出到对应的第一IO口和第二IO口。

所述LED控制器还包括N个第三IO口，所述第三IO口为驱动力辅助脚,所述驱动力辅助脚使上/下拉驱动能力差达到（1+N）：1,所述N为大于或等于1的正整数。

一种LED灰度显示控制方法，所述控制方法用于所述控制方法包括以下步骤：

将原始灰度数据进行转化编码，得到数据编码；

根据数据编码的宽度，确定LED控制器的IO口的数量，并要求这些IO口在LED控制器的同一组输出端口中，所述IO口并联连接并产生并联节点，每个IO口对用数据编码中的1位数据输出；

根据不同的输出灰度场值来设定IO口的状态，使得并联节点产生不同的组合逻辑，并联节点与LED串行数据接口连接。

所述LED控制器具有选择输出模式，所述选择输出模式用于将需要输出数据的第一IO口打开，完成硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。

所述第一IO口数量与LED显示屏的灰度级数相同。

所述数据编码通过以下步骤得到：

采用本发明硬件的方案，具有以下优点：

不需要改变原有LED的驱动电路。

不需要FPGA或逻辑芯片作为译码、转码或编解码工作，不增加元器件和芯片。

通过本发明的算法可以在组合“线或”和“线与”时减少一半的I/O口连接，相比没有压缩的算法在同等数量的IO口作选择输出时可以输出多一倍的灰度值，同时节省了本来就有限的IO口，而市面上MCU的价格和IO的多少成正比，也就节省了成本。

市面上大部分MCU都可以通过本发明实现扫描性能提高。

采用本发明软件的方案，具有以下优点：

每个像素的灰阶显示不需要用条件语句去仲裁亮或灭(LED灯的亮或灭是由IO口输出1或0来对应控制)，是原有程序的5-10倍效率。

使用DMA代替循环语句进行数据传送，不需MCU进行干预同时自动产生串行移位时钟，可以让MCU进行其它图像处理或其它事务。原方案需要程序仲裁无法使用DMA进行数据传送。

本编码可以使用预置方案和在最后输出时转换，预置方案输出的速度可以更快，可以在上位机预先转换并存放，不需要MCU来处理。而在最后输出时转换可以让MCU灵活控制，如：MCU自行产生的图像时：显示时间、温度等等实时数据。

当输出总线宽度是输出灰度值宽度的N倍时，这个MCU就可以按N倍并行输出多个灰度值。一般MCU总线输出宽度有32bit/16bit/8bit可选，当灰度值宽度是8时，32bit宽度输出并行4路数据同时输出。

从显示数据编码角度来看，本发明把LED灯灰度值转换成本方案可分为预先转换和输出时转换。

预先把灰度数据按本方案进行编码和存放，扫描显示屏时直接输出即可,这样提高输出时的效率。

在输出数据使用查表转换编码，转换表可以储存在RAM或ROM中。

本发明可以使用数据总线作输出，也可同时使用DMA转送数据，打开DMA后MCU可以去处理其它事务。DMA会连续输出数据到IO口上。

通过硬件的连接组合和软件的对比，可以发现本发明是把原有程序在输出数据时需仲裁当前像素在本次灰度场中是“１“或“０”和循环处理LED像素的过程去掉，通过硬件仲裁实现数据的直接输出至串行驱动数据端口，并使用DMA或数据总线连续输出灰度数据。

提高了LED的控制信号输出速率，使用这个高速度去完成多级灰度的扫描和更大的显示点数和更高的扫描刷新速率（可减少人眼的闪烁感），突破单个约200M速度运行的MCU不能控制显示24K像素以上的高灰度（16bit）色彩图片、动画、视频。

参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。

附图说明

图1为不同IO设定时输入不同数据的输出结果的示意图。

图2为STM32F105RBT6芯片的原理图。

具体实施方式

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

将相等于本发明编码长度的多个IO(这些IO口要求同一组输出，也可以使用MCU的数据总线接口)并联在一起，由于现代芯片可以把IO口设置为不同的驱动模式，当设置成上拉或下拉模式时，输出电路都会等效于几十K～100K的电阻接到MCU电源或MCU地线上，通过对芯片IO口的设定，在不同灰度场输出时设置成上拉工作模式或下拉等工作模式，并把数据输出到并联节点上，使并联节点上等效出“线或”、“线与”的效果，再和在无压缩数据算法中使用的“选择输出”逻辑组合起来完成本发明的自动仲裁输出数据电路。

下面是本发明电路在不同设定状态的逻辑说明：

当组合成“线或”模式时应使IO口的上拉能力大于下拉能力，当两个打开输出数据的IO输出(使用VHDL语言表示)[1:0]=11、[1:0]=10、[1:0]=01时均可在并联节点上得到高电平“1”，当输出[1:0]=00时，并联节点上得到低电平“0”，这样就成为了“线或电路”。

当组合成“线与“模式时应使IO口的下拉能力大于上拉能力，当两个打开输出数据的IO输出(使用VHDL语言表示)[1:0]=00、[1:0]=01、[1:0]=10时均可在并联节点上得到低电平“0”，当输出[1:0]=11时，并联节点上得到高电平“1”，这样就成为了“线与电路”。

当组合成“选择输出”模式时需要输出数据的1个IO口打开输出数据，其它IO口设为关闭或高阻态即可，当输出数据通过这组并联的IO口时就只有打开状态的IO口有数据输出，这样就成为了“选择输出电路”,在灰度数据的输出中就是使用了“选择输出电路”完成了硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。

在本发明中IO上拉被使用在“线或”模式时，而IO下拉被使用在“线与”模式时，IO高阻态、IO输出关闭、IO输出被使用在“选择输出”模式时。通过“线或”和“线与”分别与“选择输出”模式组成使用，就达到了输出IO数量和输出灰度编码宽度的减少。

如图1，数据编码：

1).实际扫描场数，由于灰度最低为0级时显示屏应显黑色，不需要多此一举去刷屏，所以计算公式：实际扫描场数=原始灰度级数-1。

2).把实际扫描场数平均分成两组，即高亮灰度值为一组和低亮灰度值为一组，再通过增加1BIT“选择位”来选择高亮灰度值组或低亮灰度值组。这个平均数加上选择位就是编码位宽，这个编码位宽也是并联输出端口的位数。当扫描总场数是单数时，可以把这个处于高亮和低亮之间的亮度值定义在“选择位”中（在第４部分中的列子有示列），并而不使用高/低灰度值中的数据位来表示这个数。计算公式：本发明编码宽度、输出并联端口数、高/低灰度数据数量=（实际扫描场数/2）+1bit选择位。

3).1.高/低两组数据分别采用相同的数据转换方式，把这组数据中最低灰度值的数定义为十进制数1，次低位为2，依此增加并全部转换

2.上一部转换完的灰度值转换为同等数量的二进制"1",并从低位向高位方向存放，不足规定编码长度时在前面补“0” 。

4).由于高亮度值组和低亮度值组使用同一种计算方式和存放，所以需要通过通过高/低亮度值选择位来把它们区分开，当选择位为“1”高电平时输出的数据为高亮度值组数据，而选择位为“0”低电平时输出的数据为低亮度值组数据。这样高亮度值和低亮度值就可以“复合”的方式存放。

每一个灰度值都对应A数里的其中1位，这个位数最好是以大端或小端排列，这样高亮灰度值的最低位就和低亮灰度值的最低位使用相同的BIT去表示，其它位也如是顺序排列。

再把经过本发明的编码（见表）后将数据输出到IO口上（注：数据宽度应与IO数量相等），使之自动产生当前输出的灰度等级是否点亮LED。

在电路不变的情况根据上面的方法，还可以把本方法中的“高亮灰度值和低亮灰度值选择位”去掉，并而每次只能打开1个IO口把数据输出到这个并联节点上，这个并联节点等效为“选择输出电路”，每一个灰度场对应1个IO口的打开。

把与IO口数量相同的灰度级数通过这个选择输出电路输出至LED串行数据接口，也属于本发明中的自动仲裁输出数据，但在使用数量相同的输出IO口所能表示的最大灰度级数少一半。所以在本发明方法中被视为无压缩的数据算法，不推荐使用，但也算是本发明方法中的一种使用方法。

程序中的硬件参数设定

每一场灰度场都有一个对应的IO输出设定，这样才能识别出每个显示像素在本次灰度场中输出的值是“1”或“0”，由于编码中把高灰度值和低灰度共用N个输出端口，并使用高/低灰度值选择位来区分，所以：

3.1当输出低亮灰度值时使用“线或”模式，当选高/低灰度值选择位为“1”时，即这个灰度值是大于低灰度值的最大数，所以在低灰度值显示时都输出“1” 。

3.2而当输出高亮灰度值时使用“线与”模式，当选高/低灰度值选择位为“0”时，即这个灰度值是小于高灰度值的最小数，所以在高灰度值显示时都输出“0” 。

通过高/低灰度值选择位来区分高灰度值数据和低灰度值数据可以使IO口减少一半。

3.3高灰度值数据的输出和低灰度值数据的输出是一样的方式，就是把本次扫描的灰度场值对应的级数端口打开以作“数据选择输出”，当灰度值数据按本发明编码输送到已一一对应好每一级灰度值的IO口时，只有大于或等于本次扫描的灰度场值才能在通过“线或”或“线与”模式中等到数据“1”值，反之为“0”值。

3.4在IO口状态设定表中可以发现，每一个灰度值输出时只有两个IO处于输出状态，其余IO为关闭状态，对输出结果不起作用。IO口状态设定表。

使用辅助驱动力方法：

当“线或”和“线与”驱动力无法按“输出驱动设置表1”分配时,这里一般都是MCUIO口无法达到或设置上拉/下拉驱动力时，或上拉比下拉驱动力差别不大时出现的，可以增加一个固定的IO口作为驱动力辅助脚（如果有更多的驱动力辅助脚也应为本发明）去解决这个问题，使上/下拉驱动能力差达到>２：１的设置，这样就可以确保实现线或和线与功能。输出设置见“输出驱动设置表２”。如果有N个上/下拉驱动力辅助脚，驱动力差计算公式为（1+N）：1。

使用本发明后，MCU开启DMA把显示数据输出作为数据总线的IO口上，这样在数据输出的同时MCU会有特定的IO脚作为这个数据总线的同步时钟CLK（这个时钟用来直接驱动LED显示屏的串行移位时钟），不再需要程序中使用IO脚模拟串行移位时钟。

4.输出结果

当原始灰度数据通过前面3步骤后，在串行端口得到的结果，从结果中看到数据输出到IO端口时已经得到当前像素在本次灰度场中是“１“或“０”的自动判断结（１代表点亮，０代表灭），这样就无需在程序中使用条件语句来仲裁当前像素在本次灰度场中是“１”或“０”，为使用DMA方式代替循环语句去传输所有LED灯提供了基础（可能）。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。

此方法可在任意灰度级别中使用，不同灰度级别时并联的IO口数量有所不同，灰度越高IO口数量越多。

例：下面是16级灰度扫描显示，使用8个IO并联输出的设计例子

1.根据输出灰度级数设计原始灰度值转换成本方法的灰度值编码。

2.根据数据宽度选择芯片输出端口（如图2）

3.设定芯片在不同灰度场(输出不同灰度值)时所设置的IO输出值和驱动能力，根据芯片IO的输出特性把“驱动力设置辅助脚”作为选配设置。

注1：o为IO口打开输出数据，z为IO口设置到高阻态

注2：现代MCU的IO是可以设置上拉或下拉电流的大小的，利用这个特性通过配置不同的IO驱动力来组成逻辑“线或”和“线与”模式

注2：现代MCU的IO是可以设置上拉或下拉电流的大小的，利用这个特性通过配置不同的IO驱动力来组成逻辑“线或”和“线与”模式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这中叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种LED灰度显示控制系统，其特征在于，所述系统包括LED控制器、LED显示屏,所述LED控制器具有多个第一IO口，所述多个第一IO口通过并联连接的方式与LED显示屏的LED串行数据接口连接，所述LED控制器具有选择输出模式，所述选择输出模式用于将需要输出数据的第一IO口打开，完成硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。

2.根据权利要求1所述的一种LED灰度显示控制系统，其特征在于，所述第一IO口数量与LED显示屏的灰度级数相同。

3.根据权利要求1所述的一种LED灰度显示控制系统，其特征在于，所述LED控制器还具有线或模式和线与模式，所述LED控制器还包括第二IO口，所述第二IO口与第一IO口并联连接，所述LED控制器通过线或模式和线与模式分别与选择输出模式组成，采用数据编码使用实现灰度显示控制。

4.根据权利要求1所述的一种LED灰度显示控制系统，其特征在于，所述数据编码通过以下步骤得到：

高亮灰度值、低亮灰度值两组数据分别采用相同的数据转换方式，将一组数据中最低灰度值的数定义为十进制数1，次低位为2，依此增加并全部转换；

5.根据权利要求1所述的一种LED灰度显示控制系统，其特征在于，所述LED控制器还包括N个第三IO口，所述第三IO口为驱动力辅助脚,所述驱动力辅助脚使上/下拉驱动能力差达到（1+N）：1,所述N为大于或等于1的正整数。

6.一种LED灰度显示控制方法，其特征在于，所述控制方法通过LED控制器控制LED屏的灰度显示，所述控制方法包括以下步骤：

将原始灰度数据进行转化编码，得到数据编码；

7.根据权利要求6所述的一种LED灰度显示控制方法，其特征在于，所述LED控制器具有选择输出模式，所述选择输出模式用于将需要输出数据的第一IO口打开，完成硬件仲裁当前输出数据是“1”或“0”。

8.根据权利要求6所述的一种LED灰度显示控制方法，其特征在于，所述LED控制器还具有线或模式和线与模式，所述LED控制器通过线或模式和线与模式分别与选择输出模式组成，采用数据编码使用实现灰度显示控制。

9.根据权利要求6所述的一种LED灰度显示控制方法，其特征在于，所述数据编码通过以下步骤得到：

10.根据权利要求6所述的一种LED灰度显示控制方法，其特征在于，所述LED控制器还包括N个第三IO口，所述第三IO口为驱动力辅助脚,所述驱动力辅助脚使上/下拉驱动能力差达到（1+N）：1,所述N为大于或等于1的正整数。