原创 595灰度LED显示实现方式

1．影响明暗比的因素

    亮度：对于LED显示屏，点的亮度值对应于有效的显示时间，由列的打开时间来实现的。

    明暗比，又称对比度，是指LED显示屏最高显示亮度和最低显示亮度的比值，用B表示。

明暗比B = 最大亮度/非零最小亮度

    灰度数=单色色阶，LED显示屏最多可同时显示的不同亮度数。

    显示频率：显示非零最小亮度时，发光管每秒点亮的次数。对于用户来说，显示频率越高，屏的视觉稳定性越强；显示频率越低，屏的视觉稳定性越差，即显示屏看起来会有闪烁和抖动的现象。对于设计人员来说，所有的灰度等级都是在一个显示周期内实现的。而对于采用了扫描的显示方式，则显示周期被分为几个扫描等份而成为灰度周期。那么所有的灰度等级都是在一个灰度周期内实现的。即

灰度周期=显示周期/扫描数=1/（显示频率×扫描数）

    提高明暗比的原则是：在一个灰度周期内，一方面是使最大亮度的时间尽可能地接近于整个灰度周期，即需要亮度效率尽可能的大，即：

亮度效率=最大亮度/灰度周期；

另一方面是使非零最小亮度的时间尽可能的短，即列的开关时间尽可能的小。

2．用595芯片如何实现灰度控制

    使用595芯片作为列控芯片可以实现一定的灰度控制。595芯片为串并转换芯片，具有一个输出使能端，当使能端无效时，并行输出端不输出数据；当使能端有效时，并行输出端才输出数据。因此，通过对使能信号的控制可以改变列输出的占空比，因而实现更高的灰度等级。

    在此，实现灰度等级的因素为串移周期和显示权重。

    由于最小的输出变化周期内需要完成一次串移，因此当一个系统被确定后，串移周期也就被唯一确定。

串移周期t_串移= 串移时钟周期×串移链长度

    但是，在一个灰度周期内进行串移，串移的次数越多可实现的灰度等级就越高。

    串移次数ｎ＝灰度周期／串移周期t_串移

    即：灰度周期=ｎt_串移

3．解决方案

    我们可以采用几种附加显示权重的方法来实现不同品质的灰度等级，从中找出最为合理有效的解决方案。

 方案一：

    有效显示时间t_显示=bit_n× t_串移+ bit_n-1× t_串移+ bit_n-2× t_串移+……+ bit₁×t_串移

    此时，串移次数为n；OE在一个有效显示时间内全部为有效，即显示权重都为t_串移；要达到最大亮度，则需要每个bit都取值为1，得到

    最大亮度=n t_串移；

    由于显示权重都为1×t_串移，要达到非零最小亮度，需要n-1个bit的取值为0，只有一个bit的取值为1，得到

    非零最小亮度= t_串移。

∴  明暗比 = 最大亮度/非零最小亮度= n t_串移/t_串移 = n

又∵灰度周期= n t_串移

∴  亮度效率= 最大亮度/灰度周期=1

分析：

    此方案的亮度效率虽然为100%，但是明暗比很低，经过几次串移才能达到几级灰度，因此该方案不是一个好的方案。

    方案二：

    有效显示时间t_显示=bit_n×t_串移+bit_n-1×?t_串移+bit_n-2×?t_串移+……+bit₁×（1/2^n-1）t_串移

    这里，n为串移次数，每个bit串移一次。但是每个bit的显示权重各不相同，分别为t_串移、?t_串移、?t_串移……（1/2^n-1）t_串移。OE在一个有效显示时间内根据不同的显示权重设为有效；要达到最大亮度，则需要每个bit都取值为1，得到

最大亮度=[1+?+?+……+（1/2 ^n-1）] t_串移=[（2 ⁿ-1）/2 ^n-1] t_串移；

由于显示权重各不相同，要达到非零最小亮度，只有最后一项bit₁×（1/2 ^n-1）t_串移的显示权重（1/2^n-1）t_串移最小，因此bit₁的值为1，其他bit值都取0，得到

非零最小亮度=（1/2 ^n-1）t_串移。

∴  明暗比 = 最大亮度/非零最小亮度={ [（2 ⁿ-1）/2 ^n-1] t_串移} / [（1/2 ^n-1）t_串移] = 2 ⁿ-1

∵  灰度周期= n t_串移

    最大亮度= [（2 ⁿ-1）/2 ^n-1] t_串移=（2-1/2 ^n-1）t_串移≈2t_串移

∴  亮度效率= 最大亮度/灰度周期≈2/n

分析：

    此方案的明暗比很高，但是亮度损失也很高，亮度效率随着n值的增加而迅速降低，因此，此方案不可取。

    方案三：

    设串移次数为n，共有K个bit，则

    得到：

有效显示时间t_显示=bit_K×2^Q t_串移+bit_K-1×2^Q-1 t_串移+……+bit_K-Q×t_串移+bit_K-Q-1×?t_串移+bit_K-Q-2×?t_串移+……+bit₁×（1/2 ^K-Q-1）t_串移

    这里，每个bit显示权重为该bit的串移次数×每次串移中OE的有效值×t_串移，分别为2^Q t_串移、2^Q-1 t_串移、……（1/2 ^K-Q-1 ）t_串移；不同bit的显示权重各不相同，但是相同bit可能有多次串移；OE的有效值如上表所示。

    要达到最大亮度，则需要每个bit都取值为1，所以最大亮度={2 ^Q+2 ^Q-1+……+1+?+?+……+1/2 ^K-Q-1]}t_串移=[（2 ^K-1）/2 ^K-Q-1]t_串移。

    要达到非零最小亮度，只有最后一项bit₁×（1/2 ^K-Q-1）t_串移的显示权重（1/2 ^K-Q-1）t_串移最小，因此bit₁的值为1，其他bit值都取0，得到非零最小亮度=（1/2 ^K-Q-1）t_串移。

则，

明暗比 = 最大亮度/非零最小亮度={[（2^K-1）/2^K-Q-1]t_串移}/{（1/2 ^K-Q-1）t_串移}=2^K-1≈2 ^K

    串移次数n = 2 ^Q+2 ^Q-1+……+1+1+……+1=2 ^Q+1+K-Q-2

                    2^Q+1-1       K-Q-1

∵  灰度周期= n t_串移=（2 ^Q+1+K-Q-2）t_串移

∴  亮度效率= 最大亮度/灰度周期={ [（2^K-1）/2^K-Q-1]t_串移}/{（2^Q+1+K-Q-2）t_串移}

            =（2^K-1）/ [2^K-Q-1（2^Q+1+K-Q-2）]

显示频率  =1/（灰度周期×扫描数）

          =1/（串移次数n×串移周期t_串移×扫描数N）

          =1/（串移次数n×串移时钟周期×串移链长度×扫描数N）

          =1/[（2^Q+1+K-Q-2）×串移时钟周期×串移链长度×扫描数N]

1.1.1  

1.1.2     采用方案三的实例分析：

    通常对于双色系统，每色8个bit，即K=8时，明暗比≈2^K =256，能够满足灰度显示的要求。因此通过对Q的取值，可以找到一个有足够的显示频率、较高的亮度效率、同时提高明暗比的方案。

    对于典型的室内16扫（即扫描数N=16）双色系统中，单元板的大小为64×32点。设单元板最大级联块数为8块，串移链长度为：64×8=512位。另设输出串移时钟频率为20M，则串移周期t_串移为51.2us。

当K=8时，Q取不同的数值（Q≤K），由上述公式可以得到如下表所示的各项指标值。

    由上表可以看出，当Q≥5时，显示频率已经降到严重影响人眼观看效果的程度，因此Q≥5的各值无须考虑。而Q取1或2时，亮度损失过多，也不宜选用。因此Q取3或4时，即能满足必要的高显示频率，又保证了一定的亮度效率，同时可以达到较高的明暗比，此时选用的方案较好。

4．595系统的工作描述

    将扫描行m的所有点某bitA的亮度数据串移至595芯片中，锁存并将行选择信号设置为m，按照相应的映射关系给出该bitA对应的OE信号。循环将所有的bit值按此方式显示。