全彩LED驅動芯片的S－PWM優化

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年代在全球迅速發展起來的新型信息顯示媒體，它結合了現代高新技術，具有節能、環保、色彩鮮艷、可顯示動態畫面以及文字、可視范圍廣闊等一系列優勢[1]。隨著科技、經濟等方面的不斷發展，為LED顯示屏的應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的寵兒[2]。灰度等級是衡量LED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。市場上現有的LED大屏幕顯示產品灰度等級一般在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。若使用傳統的PWM方法來產生如此高灰度等級的灰度控制信號，會存在當高比特數據為0時LED燈長時間處于熄滅狀態，帶來數據刷新率變低的缺陷，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生的，然而當10 bit的高位數據全部為0時，S-PWM和傳統的PWM方法產生的灰度等級控制信號幾乎是完全一樣的，并沒有發揮出S-PWM的優勢。

本文提出的改進型的S-PWM方法能很好地彌補當10 bit的高位數據全部為0時S-PWM和傳統的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)亮度控制技術是把灰度數據轉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二進制灰度數據1000000000100000(十進制數32800)，采用PWM得到的灰度控制信號應包含32800個時鐘的高電平和32735個時鐘的低電平，對應的灰度控制如圖1所示。clk表示的是時鐘個數，整個灰度控制信號包含65535個時鐘周期，高電平的時鐘個數根據灰度數據的不同可以在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)亮度控制技術是在傳統的PWM基礎上，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灰度數據分為兩個部分:10位的高比特數據(MSB)和6位的低比特數據(LSB)。首先將MSB數據重復計數64次，然后將LSB數據計數一次，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根據灰度數據可以在0～(1023×64+63)之間變化，具有65536級灰度。二進制灰度數據1000000000100000若采用S-PWM產生灰度控制信號，MSB位為 1000000000，LSB位為 100000。MSB數據100000000000(十進制數512)重復計數64次，然后將LSB位100000計數一次，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灰度數據為0000010000000000，采用PWM方式得到的將是連續的具有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)。對于相同的數據，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能提高數據的刷新率，具有更好的顯示效果。然而，當MSB數據為0時，S-PWM也失去了將灰度控制信號分散的功能。對于灰度數據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，在當灰度數據為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)，并沒有發揮出S-PWM的優勢。

3 本文提出的優化的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灰度數據分為兩個部分:10 bit的高比特數據(MSB)和6 bit的低比特數據(LSB)。

在SS-PWM中，LSB灰度數據按照指定的規律(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數據和對應的控制信號如圖4所示。MSB灰度數據則重復計數64次來得到灰度控制信號，每當MSB數據計數完成一次，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數據全部為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是輸入的灰度數據，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據，processing=1時，表示處理完畢。

從仿真結果可以看出，當灰度數據為0000000000000100時，S-PWM得到的灰度控制信號是連續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。也就是說當灰度數據為0000000000000100時，S-PWM不能起到分散灰度控制信號的目的，但是SS-PWM仍然能發揮其分散灰度控制信號的功能。S-PWM和SS-PWM實現方式分別用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綜合結果

由表1可知，SS-PWM實現方式比S-PWM實現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。

4 結論

本文設計了一種改進型的S-PWM(SS-PWM)的實現方式。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，提高了數據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，降低了實現的復雜度。

[1]中國報告網.2011—2015年LED顯示屏行業市場前景預測及市場調研報告[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.