LED显示屏的扫描算法 第11页
36
以得到不错的效果。
3.5.2扫描线数和场频
【8】
3.4.5节提到扫描线数的是影响屏体亮度的一个重要因素。一般加工16线，8线，4线，静
态（1线）几种屏体。室内显示屏多采用高亮管或8×8模块制作的16线屏体或8线屏体。
半室外显示屏和室外屏采用超高亮管的4线屏体。在某些亮度要求很高的室外显示屏，需要
采用价格很高性能很好的LED单管，为了充分利用LED的亮度，甚至采用线数为1的静态
锁存屏体。
观看大屏幕电视机都能感觉到屏幕闪烁，而电脑监视器则没有闪烁感，3.4.8节提到，场频
是影响闪烁的重要因素。用户都要求LED显示屏不能出现闪烁，场频的提高对降低闪烁有
重要作用。有些用户在产品的要求上已经明确指出屏需要实现的刷新率（即场频），如果没
有明确提出，一般室内屏要求在80Hz以上，室外屏常要求到120Hz，150Hz，甚至400Hz。
因为亮度会影响人眼的临界闪烁频率，所以亮度越高的显示屏要实现的场频就要越高，另外
要达到同样的效果，使用灰度优先扫描的屏需要有比行优先扫描的屏更高的场频。
在设计同步显示屏时场频要和信号源同步，所以在设计之初场频就被严格固定下来了，而异
步屏的设计只要场频满足一定的条件即可，不必是某个固定值。
3.5.3锁存和消影
实际应用中，当一行数据全部送上屏体后，产生锁存信号，此时不再向屏体送数据，这
样会使上屏时钟不连续，由此计算得到的场频也没有实际的高。但这个影响很小。
在行切换时，如果锁存先发生，则会在此行会留下下一行图像的影子；如果行切换先发
生，则会在下一行留下此行图像的影子。要避免这种现象的发生。方法是在锁存和切换行之
前禁止屏幕显示，而在之后重新打开屏幕显示。这样会消除上述的影子，这个过程即所谓的
消影，但是这种方法会对屏的亮度产生影响，在扫描灰度图像时还会使最高灰度级的亮度减
小，从而使亮度的线性度受到影响。但是这些影响都非常轻微，正常情况下根本察觉不到。
3.5.4晶振的选择
①在设计同步屏时：
显示屏的刷新和信号源的刷新要同步，因此会遇到场频被严格限制的情况，如使用DVI接
口75Hz的信号源时，显示屏的场频只能是75的倍数（包括1）。这时STR和RES的时序
就首先被确定下来了。
这时由于晶振的选择，有可能出现上屏时WCt(x)
f
Ft,n
1?
?<，即数据上屏的时间小于STR
信号的最小时间，但此时STR和RES的条件必须被满足，所以需要在数据上屏后加入若干时
钟周期，使得总的时间和t(x)
t,n
近似，并且也要保证在各级灰度时都和对应的t(m)
STR和
t(m)
RES
近似，同时要保证总时间和场时间相等。这样一来上屏时钟就可能是不连续的了。
②在设计异步屏时：第二章LED显示屏系统概述
37
如果理论计算的上屏时钟市场上买不到对应的晶振，或是其数倍的晶振，则需要购买其
频率附近的晶振（或是更高频率的晶振，取其分频），它的频率作为上屏时钟f，并且需要
满足m
ax
f≤f。
一般设计时使用连续数据上屏（不考虑锁存的影响），则()WC
ft
x
tnF
=??1
,由
此可以
应用式7、式8计算STR，RES时序；还可以应用
Fsf
WCsN
fF
???=
计算场频，看场频是
否可以满足要求。
3.5.5应用扫描算法设计扫描电路
3.5.5.1设计第一步
1.确定设计W和H，对于W需要向8的整数倍取整，对于H需要向s的整数倍取
整。这样使算法的编写和硬件的设计更加容易。注意使W和H不小于需求参数。
2.对屏体分块，初步确定
F
W，然后依据软扫描评价法则计算是否可能采用软扫描。
如果可能采用软扫描，并确定要使用软扫描方法则进行下文的软扫描步骤（此处只
讨论SPI软扫描的步骤），否则进行硬扫描步骤，而硬扫描又分为硬扫描异步屏和
硬扫描同步屏，下文分别列出：
3.5.5.2硬扫描异步屏步骤
1.对要求的场频放一定余量，如要求120Hz，可以按照130Hz计算。
2.根据3.5.1节介绍的内容，确定灰度级数n。
3.根据点亮效率约束式（式16）选择几个较合适的
sf
N，下面的步骤中根据
sf
N的
不同，分别确定几个方案，在计算出各个方案之后，从中选取最优的方案。
4.根据对亮度的要求，依据亮度公式（式13），考虑上一步选取的
sf
N，综合考虑其
它几个因素，确定LED象素型号和扫描线数s。
5.依据上屏时钟约束式（式20），使用初步确定的
F
W来确定C。因为C一定是整
数，所以这一步需要适当修正FW，随即修正W。如果C=1还不能满足要求，就
要重新对屏体分块，确定新的FW。最后根据选择的参数计算出上屏时钟的理想频
率f。东南大学硕士学位论文
38
6.如有必要，计算帧缓存的峰值速度
m
T。确定系统最高频率。购买合适的晶振。
7.根据3.5.4，以实际的频率计算实际上屏时钟
R
f和场频
R
F，使其满足设计要求。
8.如有必要，根据帧缓存速度公式（式24，式26）计算帧缓存的峰值带宽
mR
T，由
此选择帧缓存芯片。
9.根据总象素公式（式4），计算各个
sf
N对应的
dpc
W，由此确定系统的复杂程度。
10.综合比较各个
sf
N时的方案，选出最优的方案。
11.根据式18，式19计算STR，RES时序。
12.根据3.4.8，确定灰度扫描方式和脉冲打散方式。
13.设计硬件
设计实例：
据此设计的1024×512象素双基色LED显示屏，单基色256级灰度，存储器峰值带宽
50MHz，选用12ns的帧缓存。上屏时钟12.5MHz，C=1，数据全并行上屏，设计时
使用16线屏体，可以接4线、8线屏体。场频60Hz，采用子场打散扫描方式，取得很
好的效果。
3.5.5.3硬扫描同步屏步骤
1.根据信号源和灰度扫描方式（3.5.2）确定场频，如信号选择60Hz，则场频可以选
择60、120、180Hz。
2.根据3.5.1节介绍的内容，确定灰度级数n。
3.根据点亮效率约束式选择几个较合适的
sf
N，下面的步骤中根据
sf
N的不同，分别
确定几个方案，在计算出各个方案之后，从中选取最优的方案。
4.根据对亮度的要求，依据亮度公式，考虑上一步选取的
sf
N，综合考虑其它几个因
素，确定LED象素型号和扫描线数s。
5.根据式11、式12计算出STR，RES时序。
6.依据上屏时钟约束式，使用初步确定的
F
W来确定C。因为C一定是整数，所以这
一步需要适当修正FW，随即修正W。如果C=1还不能满足要求，就要重新对屏
体分块，确定新的FW。最后根据选择的参数计算出上屏时钟的理想频率f。
7.如有必要，计算帧缓存的峰值速度
m
T，并依据f和
m
T确定系统的最高晶振
s
f，
其可能是前两者的最小公倍数。
8.如果购买不到合适的晶振，则必须购买频率更高的晶振。但必须保证上屏时钟和帧第二章LED显示屏系统概述
缓存速度满足要求。
9.以实际的频率计算实际上屏时钟
R
f。
10.如有必要，根据帧缓存速度公式计算帧缓存的峰值带宽
mR
T，由此选择帧缓存芯片。
11.根据3.5.4，以实际的系统时钟频率折算STR，RES的时序中各级灰度需要的系统时
钟个数，以此作为FPGA设计时的依据。
12.根据总象素公式，计算各个
sf
N对应的
dpc
W，由此确定系统的复杂程度。
13.综合比较各个
sf
N时的方案，选出最优的方案。
14.确定灰度扫描方式和脉冲打散方式。
15.设计硬件。
设计实例：
应用此算法在实际工程中设计640象素宽，512象素高，单基色4096级灰度
（n=12）的全彩色LED显示屏。采用四分之一扫描（s=4）的显示驱动模块。考虑
显示屏的点亮效率，取x=7此时点亮效率为84.2%，较为合理。为使显示屏不闪烁取
场频F为120Hz。根据以上参数计算当=640
F
W、C=1时上屏时钟为11.7MHz,与
max
f
为10MHz相比频率略高，于是考虑将屏体横向分割，取=2
V
D即将屏体横向分为等宽
的两部分，此时上屏时钟为5.8MHz，较为合理。同时驱动模块级联数为20，在允许范
围之内。使用以上参数设计的全彩色LED显示屏取得了良好的效果。
3.5.5.4软扫描步骤
1.根据对用户对亮度的要求，依据亮度公式，综合考虑成本问题，确定LED象素型
号和扫描线数s。
2.确定SPI总线频率，选择上屏时钟频率，由式41可知，选择
dpc
W从而选择f，
并使m
ax
f≤f。
3.如果设计同步屏，则由确定的场频就可以根据式11，式12计算出STR，RES时序；
如果设计异步显示屏，则根据式43，式44就可以计算出STR，RES时序。
4.确定灰度扫描方式，和脉冲打散方式
5.设计硬件
设计实例：
应用此算法实验室使用philips LPC2106处理器制作了一款软扫描控制板，用于控制双
基色小尺寸屏，其SPI总线速度为8Mbit/s，估算其扫描256×128的双基色屏时可能达到场
频61Hz（η取0.5），不太合适。在扫描192×128的双基色屏时，可能达到163Hz，比较合
适。实际扫描频率比其略高，在80Hz时可以扫描的尺寸达到240×128。