基于TLC5941的全彩LED大屏幕驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路和專用元器件的飛速發(fā)展，256級(jí)灰度的全彩色LED大顯示屏在國內(nèi)發(fā)展迅速，但是目前其顯示效果并不理想：一方面，LED的發(fā)光效率受制造工藝的影響表現(xiàn)出固有的差異，而且這種差異
近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、大規(guī)模集成電路和專用元器件的飛速發(fā)展，256級(jí)灰度的全彩色LED大顯示屏在國內(nèi)發(fā)展迅速，但是目前其顯示效果并不理想：一方面，LED的發(fā)光效率受制造工藝的影響表現(xiàn)出固有的差異，而且這種差異還隨時(shí)間發(fā)生變化，這樣由大量LED組成的大屏幕顯示時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的暗斑或亮斑，嚴(yán)重影響顯示要求，需要采用在線的點(diǎn)校正消除這種影響，另一方面，現(xiàn)有的全彩色大屏幕一般亮度等級(jí)不足，即便采用了非線性灰度控制技術(shù)，在低亮度等級(jí)上表現(xiàn)色彩的能力仍然較差，顯示的層次感不強(qiáng)，由亮度等級(jí)不足導(dǎo)致的另一個(gè)問題是進(jìn)行γ校正不容易，從而使全彩色LED大顯示屏產(chǎn)生一定的顏色失真。
TI公司的最新推出的TLC5941驅(qū)動(dòng)芯片具有點(diǎn)校正和高亮度等級(jí)的特點(diǎn)，由他組成的大屏幕驅(qū)動(dòng)方案一定程度上解決了上述問題，可以構(gòu)成高性能的顯示系統(tǒng)。
2、TLC5941芯片介紹
2.1 芯片特點(diǎn)
TLC5941共有28個(gè)引腳，是一個(gè)16通道的LED恒流驅(qū)動(dòng)器，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)16個(gè)LED,每通道最大驅(qū)動(dòng)能力80mA,每個(gè)通道可以通過PWM方式根據(jù)內(nèi)部亮度寄存器的值進(jìn)行4096級(jí)亮度控制，內(nèi)部每個(gè)通道亮度寄存器的長(zhǎng)度是12位，另外，流動(dòng)每個(gè)通道LED的驅(qū)動(dòng)電路由內(nèi)部6位的點(diǎn)校正寄存器的值進(jìn)行64級(jí)控制，而且驅(qū)動(dòng)電流的最大值可通過片外電阻設(shè)定。
64級(jí)電流控制提供了LED點(diǎn)亮度校正的能力，4096級(jí)亮度調(diào)整則保證了即使在較低的亮度等級(jí)小，點(diǎn)陣中的每個(gè)點(diǎn)也有多達(dá)256級(jí)的灰度表示，從而紅綠藍(lán)全彩屏可有16M色的色彩表達(dá)能力，這兩點(diǎn)對(duì)于高質(zhì)量的彩色大屏幕顯示是額外重要的。
相對(duì)于傳統(tǒng)的彩色大屏幕顯示系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中利用可編程邏輯芯片（或高速CPU）集中產(chǎn)生PWM進(jìn)行亮度控制，采用TLC5941后，由于驅(qū)動(dòng)芯片TLC5941完成了PWM亮度控制，可編程邏輯芯片（或高速CPU）只需要處理緩存管理、亮度和點(diǎn)校正數(shù)據(jù)的輸出，設(shè)計(jì)復(fù)雜度降低，而且由于PWM的亮度控制與數(shù)據(jù)串行移出無關(guān)，可以很方便地獲得較高的幀頻，取得很好的動(dòng)態(tài)顯示效果。
2.2 管腳功能
TLC5941的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，亮度寄存器，點(diǎn)校正寄存器和錯(cuò)誤狀態(tài)信息都是通過串行接口存取的，最大串行時(shí)鐘效率為30MHz.
TLC5941的串行接口方式類似于74HC595,接口部分由5根信號(hào)線組成。
Mode（模式信號(hào)）：Mode=0是亮度信號(hào)輸入模式，Mode=1點(diǎn)校正信號(hào)輸入模式。
SCLK（串行時(shí)鐘），在每個(gè)SCLK的上升沿，當(dāng)Mode=0輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)部192位（16通道×12）的亮度串行移位寄存器，當(dāng)Mode=1輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)部96（16通道×6）位的點(diǎn)校正串行移位寄存器。
SOUT:串行數(shù)據(jù)輸出。
SIN:串行數(shù)據(jù)輸入。
XLAT:數(shù)據(jù)鎖存，在XLAT的上升沿，如果Mode=0,亮度串行移位寄存器鎖存到亮度控制寄存器，隨機(jī)控制亮度PWM輸出，如果Mode=1,點(diǎn)校正串行移位寄存器鎖存到點(diǎn)校正控制寄存器，控制電流的輸出。
為了保障彩色大屏幕的可靠運(yùn)行，TLC5941提供了每一路LED開路和過溫檢測(cè)的能力，管腳XERR是集電極開路輸出，用于出錯(cuò)時(shí)報(bào)警，16個(gè)通道中無論哪個(gè)通道有錯(cuò)誤發(fā)生，XERR就會(huì)被拉到低電平，通過查詢芯片的內(nèi)部狀態(tài)信息，就可以知道哪一路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中所有TLC5941的XERR管腳可以接到一起，通過上拉電阻接到高電平，通過監(jiān)控這個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)可以在運(yùn)行過程中進(jìn)行自我診斷。
另外TLC5941還提供了GCLK管腳，輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以同步PWM的產(chǎn)生。
3、基于TLC5941的動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路
本設(shè)計(jì)對(duì)象是640×480的全彩顯示系統(tǒng)，這里只介紹他的驅(qū)動(dòng)部分，整個(gè)屏由4塊子屏組成，每一塊子屏管理640×120象素大小的范圍，都有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，由于是室內(nèi)屏，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)1/8掃描驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)電路的控制由可編程邏輯器件EPM1270（Altera）實(shí)現(xiàn)，為了提高幀頻，串行數(shù)據(jù)采用15路并行輸出的方法，每路對(duì)640×8象素大小的范圍進(jìn)行刷新，圖1中給出的是子屏驅(qū)動(dòng)中單路的電路框圖。
為了防止LED動(dòng)態(tài)掃描過程中對(duì)寄存器的訪問與外部總線在更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)訪問寄存器之間產(chǎn)生沖突，這里也是采用了雙緩存的結(jié)構(gòu)，當(dāng)LED掃描過程訪問的是一片存儲(chǔ)器，暴露在總線接口的就是另一片存儲(chǔ)器，外部接口的特定的掃描控制寄存器操作時(shí)，引起兩片寄存器的交換，同時(shí)顯示內(nèi)容也得以更新，存儲(chǔ)器采用兩片靜態(tài)RAM--IDT71V424（512k×8），EPM1270與存儲(chǔ)器的接口低8位采用地址數(shù)據(jù)復(fù)用以節(jié)省EPM1270的I/O管腳。
存儲(chǔ)器中前26k開始存儲(chǔ)的是每點(diǎn)的色彩信息，每象素3個(gè)字節(jié)24位表示顏色，每個(gè)字節(jié)分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)象素的紅綠藍(lán)3個(gè)象素的彩色亮度值，后256k開始存放的是經(jīng)過γ校正修正后的點(diǎn)校正數(shù)據(jù)。
整屏的亮度由EPM1270擴(kuò)展的亮度寄存器控制，每個(gè)TLC5941寫入時(shí)，EPM1270控制先從當(dāng)前象素對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器空間讀出每個(gè)顯示單元的色素值，再與亮度寄存器值運(yùn)算后得到12位的每通道TLC5941的亮度值（控制每個(gè)象素的亮度和色彩），通過并/串轉(zhuǎn)換后輸出，同時(shí)保持Mode=0;輸出亮度后，從后256k的對(duì)應(yīng)空間讀取6位點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，并/串轉(zhuǎn)換后輸出，同時(shí)保持Mode=1,這樣完成了一個(gè)通道數(shù)據(jù)的輸出，將一行對(duì)應(yīng)所有的通道數(shù)據(jù)輸出完畢后，暫停串行時(shí)鐘，置Mode=0,在XLAT腳產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，再置Mode=1,在XLAT腳產(chǎn)生正脈沖，分別將數(shù)據(jù)鎖存入TLC5941內(nèi)部對(duì)應(yīng)的控制寄存器中，一行數(shù)據(jù)輸出完畢。
4、結(jié)語
采用Verilog語言對(duì)EPM1270進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，綜合后占用芯片資源的79%,利用上述設(shè)計(jì)構(gòu)建的彩色大屏幕系統(tǒng)刷新頻率達(dá)到60Hz,通過γ校正和點(diǎn)校正，全屏各象素點(diǎn)亮度均勻，層次感很強(qiáng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這個(gè)基于TLC5941的全彩色大屏幕驅(qū)動(dòng)方案聯(lián)機(jī)屏和脫機(jī)屏都可以使用，實(shí)踐證明具有良好的顯示效果。
TI公司的最新推出的TLC5941驅(qū)動(dòng)芯片具有點(diǎn)校正和高亮度等級(jí)的特點(diǎn)，由他組成的大屏幕驅(qū)動(dòng)方案一定程度上解決了上述問題，可以構(gòu)成高性能的顯示系統(tǒng)。
2、TLC5941芯片介紹
2.1 芯片特點(diǎn)
TLC5941共有28個(gè)引腳，是一個(gè)16通道的LED恒流驅(qū)動(dòng)器，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)16個(gè)LED,每通道最大驅(qū)動(dòng)能力80mA,每個(gè)通道可以通過PWM方式根據(jù)內(nèi)部亮度寄存器的值進(jìn)行4096級(jí)亮度控制，內(nèi)部每個(gè)通道亮度寄存器的長(zhǎng)度是12位，另外，流動(dòng)每個(gè)通道LED的驅(qū)動(dòng)電路由內(nèi)部6位的點(diǎn)校正寄存器的值進(jìn)行64級(jí)控制，而且驅(qū)動(dòng)電流的最大值可通過片外電阻設(shè)定。
64級(jí)電流控制提供了LED點(diǎn)亮度校正的能力，4096級(jí)亮度調(diào)整則保證了即使在較低的亮度等級(jí)小，點(diǎn)陣中的每個(gè)點(diǎn)也有多達(dá)256級(jí)的灰度表示，從而紅綠藍(lán)全彩屏可有16M色的色彩表達(dá)能力，這兩點(diǎn)對(duì)于高質(zhì)量的彩色大屏幕顯示是額外重要的。
相對(duì)于傳統(tǒng)的彩色大屏幕顯示系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中利用可編程邏輯芯片（或高速CPU）集中產(chǎn)生PWM進(jìn)行亮度控制，采用TLC5941后，由于驅(qū)動(dòng)芯片TLC5941完成了PWM亮度控制，可編程邏輯芯片（或高速CPU）只需要處理緩存管理、亮度和點(diǎn)校正數(shù)據(jù)的輸出，設(shè)計(jì)復(fù)雜度降低，而且由于PWM的亮度控制與數(shù)據(jù)串行移出無關(guān)，可以很方便地獲得較高的幀頻，取得很好的動(dòng)態(tài)顯示效果。
2.2 管腳功能
TLC5941的所有內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，亮度寄存器，點(diǎn)校正寄存器和錯(cuò)誤狀態(tài)信息都是通過串行接口存取的，最大串行時(shí)鐘效率為30MHz.
TLC5941的串行接口方式類似于74HC595,接口部分由5根信號(hào)線組成。
Mode（模式信號(hào)）：Mode=0是亮度信號(hào)輸入模式，Mode=1點(diǎn)校正信號(hào)輸入模式。
SCLK（串行時(shí)鐘），在每個(gè)SCLK的上升沿，當(dāng)Mode=0輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)部192位（16通道×12）的亮度串行移位寄存器，當(dāng)Mode=1輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)移入和移出內(nèi)部96（16通道×6）位的點(diǎn)校正串行移位寄存器。
SOUT:串行數(shù)據(jù)輸出。
SIN:串行數(shù)據(jù)輸入。
XLAT:數(shù)據(jù)鎖存，在XLAT的上升沿，如果Mode=0,亮度串行移位寄存器鎖存到亮度控制寄存器，隨機(jī)控制亮度PWM輸出，如果Mode=1,點(diǎn)校正串行移位寄存器鎖存到點(diǎn)校正控制寄存器，控制電流的輸出。
為了保障彩色大屏幕的可靠運(yùn)行，TLC5941提供了每一路LED開路和過溫檢測(cè)的能力，管腳XERR是集電極開路輸出，用于出錯(cuò)時(shí)報(bào)警，16個(gè)通道中無論哪個(gè)通道有錯(cuò)誤發(fā)生，XERR就會(huì)被拉到低電平，通過查詢芯片的內(nèi)部狀態(tài)信息，就可以知道哪一路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中所有TLC5941的XERR管腳可以接到一起，通過上拉電阻接到高電平，通過監(jiān)控這個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)可以在運(yùn)行過程中進(jìn)行自我診斷。
另外TLC5941還提供了GCLK管腳，輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以同步PWM的產(chǎn)生。
3、基于TLC5941的動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)電路
本設(shè)計(jì)對(duì)象是640×480的全彩顯示系統(tǒng)，這里只介紹他的驅(qū)動(dòng)部分，整個(gè)屏由4塊子屏組成，每一塊子屏管理640×120象素大小的范圍，都有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，由于是室內(nèi)屏，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)1/8掃描驅(qū)動(dòng)方式。驅(qū)動(dòng)電路的控制由可編程邏輯器件EPM1270（Altera）實(shí)現(xiàn)，為了提高幀頻，串行數(shù)據(jù)采用15路并行輸出的方法，每路對(duì)640×8象素大小的范圍進(jìn)行刷新，圖1中給出的是子屏驅(qū)動(dòng)中單路的電路框圖。
為了防止LED動(dòng)態(tài)掃描過程中對(duì)寄存器的訪問與外部總線在更新顯示數(shù)據(jù)時(shí)訪問寄存器之間產(chǎn)生沖突，這里也是采用了雙緩存的結(jié)構(gòu)，當(dāng)LED掃描過程訪問的是一片存儲(chǔ)器，暴露在總線接口的就是另一片存儲(chǔ)器，外部接口的特定的掃描控制寄存器操作時(shí)，引起兩片寄存器的交換，同時(shí)顯示內(nèi)容也得以更新，存儲(chǔ)器采用兩片靜態(tài)RAM--IDT71V424（512k×8），EPM1270與存儲(chǔ)器的接口低8位采用地址數(shù)據(jù)復(fù)用以節(jié)省EPM1270的I/O管腳。
存儲(chǔ)器中前26k開始存儲(chǔ)的是每點(diǎn)的色彩信息，每象素3個(gè)字節(jié)24位表示顏色，每個(gè)字節(jié)分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)象素的紅綠藍(lán)3個(gè)象素的彩色亮度值，后256k開始存放的是經(jīng)過γ校正修正后的點(diǎn)校正數(shù)據(jù)。
整屏的亮度由EPM1270擴(kuò)展的亮度寄存器控制，每個(gè)TLC5941寫入時(shí)，EPM1270控制先從當(dāng)前象素對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器空間讀出每個(gè)顯示單元的色素值，再與亮度寄存器值運(yùn)算后得到12位的每通道TLC5941的亮度值（控制每個(gè)象素的亮度和色彩），通過并/串轉(zhuǎn)換后輸出，同時(shí)保持Mode=0;輸出亮度后，從后256k的對(duì)應(yīng)空間讀取6位點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，并/串轉(zhuǎn)換后輸出，同時(shí)保持Mode=1,這樣完成了一個(gè)通道數(shù)據(jù)的輸出，將一行對(duì)應(yīng)所有的通道數(shù)據(jù)輸出完畢后，暫停串行時(shí)鐘，置Mode=0,在XLAT腳產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，再置Mode=1,在XLAT腳產(chǎn)生正脈沖，分別將數(shù)據(jù)鎖存入TLC5941內(nèi)部對(duì)應(yīng)的控制寄存器中，一行數(shù)據(jù)輸出完畢。
4、結(jié)語
采用Verilog語言對(duì)EPM1270進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，綜合后占用芯片資源的79%,利用上述設(shè)計(jì)構(gòu)建的彩色大屏幕系統(tǒng)刷新頻率達(dá)到60Hz,通過γ校正和點(diǎn)校正，全屏各象素點(diǎn)亮度均勻，層次感很強(qiáng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這個(gè)基于TLC5941的全彩色大屏幕驅(qū)動(dòng)方案聯(lián)機(jī)屏和脫機(jī)屏都可以使用，實(shí)踐證明具有良好的顯示效果。
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