王 巍，黃 展，安友偉，丁 鋒

(重慶郵電大學微電子重點實驗室，重慶 400065)

1 LED顯示屏簡介

LED全彩顯示屏是20世紀90年代在全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，它結(jié)合了現(xiàn)代高新技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、色彩鮮艷、可顯示動態(tài)畫面以及文字、可視范圍廣闊等一系列優(yōu)勢[1]。隨著科技、經(jīng)濟等方面的不斷發(fā)展，為LED顯示屏的應(yīng)用提供了廣闊的市場。作為一種媒介載體，LED顯示屏已成為影視表演、大型歌舞、綜藝、晚會等不可缺少的組成部分，同時也是公共媒體、戶外廣告、亮化工程等城市建設(shè)的寵兒[2]?；叶鹊燃壥呛饬縇ED顯示屏顯示效果的一個重要指標，灰度等級越高，顯示的效果越逼真。所謂灰度等級，就是指可以進行控制的灰度級等級的多少。市場上現(xiàn)有的LED大屏幕顯示產(chǎn)品灰度等級一般在12 bit以上，對顯示效果要求更高的屏幕灰度等級可以達到16 bit。若使用傳統(tǒng)的PWM方法來產(chǎn)生如此高灰度等級的灰度控制信號，會存在當高比特數(shù)據(jù)為0時LED燈長時間處于熄滅狀態(tài)，帶來數(shù)據(jù)刷新率變低的缺陷，可能會給人眼帶來閃爍感，從而影響LED屏幕顯示的效果[3]。S-PWM正是為了彌補這種缺陷而產(chǎn)生的，然而當10 bit的高位數(shù)據(jù)全部為0時，S-PWM和傳統(tǒng)的PWM方法產(chǎn)生的灰度等級控制信號幾乎是完全一樣的，并沒有發(fā)揮出S-PWM的優(yōu)勢。

本文提出的改進型的S-PWM方法能很好地彌補當10 bit的高位數(shù)據(jù)全部為0時S-PWM和傳統(tǒng)的PWM方法的不足，提高了LED顯示屏的顯示效果。

2 PWM和S-PWM

PWM(Pulse Wide Modulation)亮度控制技術(shù)是把灰度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成灰度等級控制信號的過程。灰度等級控制信號用來控制信號控制每個LED燈的點亮時間，來使LED燈達到期望的亮度值。例如，一個包含65536級灰度的16 bit二進制灰度數(shù)據(jù)1000000000100000(十進制數(shù)32800)，采用PWM得到的灰度控制信號應(yīng)包含32800個時鐘的高電平和32735個時鐘的低電平，對應(yīng)的灰度控制如圖1所示。clk表示的是時鐘個數(shù)，整個灰度控制信號包含65535個時鐘周期，高電平的時鐘個數(shù)根據(jù)灰度數(shù)據(jù)的不同可以在0～65535之間變化，能得到65536級灰度控制信號。

圖1 PWM方式得到的灰度控制信號

S-PWM(Scrambled-PWM)亮度控制技術(shù)是在傳統(tǒng)的PWM基礎(chǔ)上，將一個灰度控制信號的高電平時間分散成多個較短的導通時間，以增加整體視覺的更新率[4-5]。S-PWM將16 bit灰度數(shù)據(jù)分為兩個部分:10位的高比特數(shù)據(jù)(MSB)和6位的低比特數(shù)據(jù)(LSB)。首先將MSB數(shù)據(jù)重復計數(shù)64次，然后將LSB數(shù)據(jù)計數(shù)一次，得到完整的S-PWM波形。整個S-PWM生成的灰度控制信號包含的高電平時鐘數(shù)根據(jù)灰度數(shù)據(jù)可以在0～(1023×64+63)之間變化，具有65536級灰度。二進制灰度數(shù)據(jù)1000000000100000若采用S-PWM產(chǎn)生灰度控制信號，MSB位為 1000000000，LSB位為 100000。MSB數(shù)據(jù)100000000000(十進制數(shù)512)重復計數(shù)64次，然后將LSB位100000計數(shù)一次，得到S-PWM灰度等級控制信號。灰度控制信號包含512×64+32=32800個時鐘的高電平和32736個時鐘的低電平，具有65536級灰度，如圖2所示。

圖2 S-PWM方式得到的灰度控制信號

若16 bit灰度數(shù)據(jù)為0000010000000000，采用PWM方式得到的將是連續(xù)的具有1024個時鐘的高電平的灰度控制信號，而采用S-PWM方式得到的是具有連續(xù)的16個時鐘的高電平的灰度控制信號(重復64次)。對于相同的數(shù)據(jù)，S-PWM和PWM方式均能得到相同亮度效果的灰度控制信號，但S-PWM能提高數(shù)據(jù)的刷新率，具有更好的顯示效果。然而，當MSB數(shù)據(jù)為0時，S-PWM也失去了將灰度控制信號分散的功能。對于灰度數(shù)據(jù)0000000000100000，采用PWM和S-PWM得到的灰度控制信號分別如圖3a和圖3b所示。

圖3 灰度控制信號

由圖可知，在當灰度數(shù)據(jù)為0000000000100000時，SPWM和PWM得到的灰度控制信號幾乎完全一樣(僅高電平時間的位置不一樣)，并沒有發(fā)揮出S-PWM的優(yōu)勢。

3 本文提出的優(yōu)化的S-PWM

本文將改進的S-PWM稱之為SS-PWM(Symmetrical and Scrambled Pulse Wide Modulation)。SS-PWM仍然將16 bit灰度數(shù)據(jù)分為兩個部分:10 bit的高比特數(shù)據(jù)(MSB)和6 bit的低比特數(shù)據(jù)(LSB)。

在SS-PWM中，LSB灰度數(shù)據(jù)按照指定的規(guī)律(旨在使灰度控制信號均勻分布)得到的灰度控制信號，并被劃分成63個部分，LSB數(shù)據(jù)和對應(yīng)的控制信號如圖4所示。MSB灰度數(shù)據(jù)則重復計數(shù)64次來得到灰度控制信號，每當MSB數(shù)據(jù)計數(shù)完成一次，LSB灰度控制信號的一個部分被添加在MSB灰度控制信號的后面。即使MSB數(shù)據(jù)全部為0，也能得到均勻分散的灰度控制信號。MSB和LSB共同得到的灰度控制信號如圖5所示。

筆者用Verilog語言分別對S-PWM和SS-PWM方式進行了描述，并且使用Modelsim進行了仿真，Synplify進行綜合。S-PWM和SS-PWM的Modelsim仿真圖分別如圖6和圖7所示。其中，clk是時鐘信號，data_in是輸入的灰度數(shù)據(jù)，rst是復位信號(低電平復位)，pulse_out是輸出的灰度控制信號，processing是處理過程標志位，processing=0時，表示正在處理灰度數(shù)據(jù)，processing=1時，表示處理完畢。

從仿真結(jié)果可以看出，當灰度數(shù)據(jù)為0000000000000100時，S-PWM得到的灰度控制信號是連續(xù)4個時鐘的高電平(其余時間為低電平)，而SS-PWM得到的是均勻分散的4個1個時鐘周期的高電平。也就是說當灰度數(shù)據(jù)為0000000000000100時，S-PWM不能起到分散灰度控制信號的目的，但是SS-PWM仍然能發(fā)揮其分散灰度控制信號的功能。S-PWM和SS-PWM實現(xiàn)方式分別用Synplify在Altera公司的EP1C3TC144-C6芯片上進行了綜合，占用資源情況如表1所示。

表1 Synplify綜合結(jié)果

由表1可知，SS-PWM實現(xiàn)方式比S-PWM實現(xiàn)方式占用更少的硬件資源。所以，SS-PWM不僅具有更好的顯示效果，也簡化了硬件的實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種改進型的S-PWM(SS-PWM)的實現(xiàn)方式。SS-PWM將LSB得到的灰度控制信號劃分成63部分，均勻地分布在整個灰度控制信號中，提高了數(shù)據(jù)刷新率和視覺更新率，使LED顯示屏顯示的效果更好。另外，實用Synplify對S-PWM和SS-PWM綜合的結(jié)果表明，SS-PWM方式在取得更好的視覺效果的同時，降低了實現(xiàn)的復雜度。

[1]中國報告網(wǎng).2011—2015年LED顯示屏行業(yè)市場前景預測及市場調(diào)研報告[EB/OL].[2012-04-15].http://baogao.chinabaogao.com/xianshiqi/105916105916.html.

[2]西田信夫.大屏幕顯示[M].北京:科學出版社，2003.

[3]李熹霖.談LED大屏的刷新頻率和換幀頻率[J].現(xiàn)代顯示，2004，41:22-26.

[4]MBI_5026[EB/OL].[2012-04-15].http://wenku.baidu.com/view/267fb46d7e21af45 b307a83b.html.

[5]MBI_5042[EB/OL].[2012-04-15].http://wenku.baidu.com/view/9cb48564f5335a 8102d22098.html.