LED显示屏的扫描算法 第3页
1
第一章前言
1.1 LED显示屏的发展与应用
【5】
自上世纪90年代以来，随着LED显示技术的设计制造水平的不断提高，LED显示屏
逐渐在生产和生活中大量使用，LED显示屏以其特有的显示介质，在一些应用领域：比如
大面积，全天候，高亮度和超高亮度显示屏领域凸现优势。LED显示技术发展的十几年中，
新器件和新技术不断采用，制造成本逐渐降低，生产分工不断细化，但大量应用的同时也暴
露出LED显示技术的若干缺陷，总体上来说技术尚未成熟，标准尚未完全建立，有许多方
面值得进行更深入的研究与改进。
LED显示屏的发展经历单色，双色，多级灰度的发展历程，目前正向着全彩色，高灰
度级，高一致性方向发展。人们总是期望事物的完美，LED屏也不例外，在各个方面人们
不断改进技术提高性能，以使LED屏获得生动逼真的显示效果。
在扫描场频方面：效果良好的LED屏已经实现120Hz的扫描频率，个别可以达到180Hz
甚至400Hz的扫描频率。越高的场频将带来越小的闪烁同时得到越好图像质量。
在实现的灰度等级方面：现今的灰度LED显示屏已实现单基色1024级甚至4096级灰
度，经过图像校正，色彩表现非常细腻。
在色彩校正方面：各个公司对其产品有着不同的设计色彩评价标准，因而就有不同的色
彩校正方法。好的产品可以根据环境的变化动态改变色彩的校正。
在图像传输方面：百兆、千兆以太网PHY传输技术，直至光纤传输技术得到了广泛的
应用。
在图像处理和扫描逻辑上：高性能处理器和FPGA得到了广泛的应用。
经过十几年的发展，LED显示技术日渐成熟，向人们展现了美好的前景。
1.2课题讨论的问题
目前的LED显示屏的各种参数，如灰度和场频等，虽然各个公司依照不同的理解而采
用的数值有所不同，但事实上无论是单色屏、双色屏、灰度屏还是全彩屏，LED显示屏的
各种设计参数的选取并不是随意的，而是有许多限制条件的。在设计中反复的选取参数还是
有某些设计原则需要遵守的。
一个LED显示屏的设计参数有屏宽、屏高、场频、基色、色彩灰度级等。决定扫描方
法的参数主要有驱动时钟个数、屏体分块数、锁存信号时序、使能信号时序，同时还可以采
用CPU软件扫描或是逻辑电路硬件扫描。本课题探讨了LED显示屏扫描的扫描方法，并阐
述了扫描方法和显示屏设计参数之间的制约关系，从而找到LED显示屏设计和优化的规范
性方法。
LED显示屏的实际显示效果直接影响了人们对其的接受程度，在这一点上LED显示屏
与其它显示屏如CRT和液晶显示屏并无区别。人们根据对传统显示屏的印象往往很容易察
觉出显示效果是粗糙还是细腻，自然还是生硬。LED显示屏的实际效果已成为现阶段各生
产厂商关心的重要方面。本文探讨了扫描方法对LED显示效果的影响，阐述了扫描参数与
亮度、对比度、闪烁和颜色校正之间的关系。东南大学硕士学位论文
2
第二章LED显示屏系统概述
本章首先介绍LED显示屏的基本常识，进而介绍LED显示屏系统的架构组成，然后讨论
了几个重要部分的实现原理，最后根据本章所述内容提出此篇论文所涉及的概念和术语并对
这些概念和术语加以解释和描述。
2.1 LED显示屏基本常识
【2】【19】【10】【11】【21】
LED是发光二极管的英文缩写，LED显示屏是指通过一定的控制方式，由LED器件阵
列组成的显示屏幕。由于LED器件可以制成各种形状，常见的8段或米子LED数码管是一
种形式，单管也是一种形式，甚至还可以按照用户的要求订做特定形状和段数的数码管，来
显示英文字母和汉字等等。实际应用中采用各种LED器件的场合都存在。在一些需求简单
的场合，只需要采用各种类型的数码管即可，但当需要显示复杂多变的信息时，如汉字和图
像同时显示，采用数码管的显示屏就不能满足要求。这时需要采用点阵结构的LED显示屏。
它的屏体是由大量的LED单管组成阵列形式，方式如同我们常见的液晶显示屏。每一个单
管的发光亮度都可以单独控制。这样所有发光管共同组成了显示的画面。点阵式的LED显
示屏能灵活显示各种形式的信息，对它的研究更具有普遍意义，所以本文讨论的是点阵式
LED显示屏的扫描原理和图像质量。
LED单管有不同颜色，如各种红，绿，蓝，橙。有些显示屏只使用一种颜色的单管组
成屏体，每个或每几个单管构成一个象素作为显示信息的最小单位，显示屏只能同时显示一
个色系，如由红色LED组成的屏体只能显示各种灰度的红色。我们称之为单基色的LED显
示屏；而某些显示屏的最小成像单位却有几个不同颜色的LED单管组成，每种颜色的LED
单管都可以单独控制，这样可以显示的颜色就大大扩展，以至于当象素由独立的红绿蓝三色
LED单管构成时，可以显示人眼可以感知的全部色彩，这也就是平常所说的三元色原理。
我们称象素中有两种基色的显示屏为双基色LED显示屏,而有三种颜色的LED则称为三基
色显示屏。可以将象素中包含的LED单管的基色数量称为显示屏的基色。这里要注意的一
点,如果显示屏一半用红色单管构成而另一半由绿色单管构成,那么这样的显示屏仍然是单基
色的，因为它的每个象素只由一种基色的单管构成。现阶段由于蓝色LED的价格较高,所以
屏体经常使用红绿两基色封装的LED，在LED显示屏领域，为了降低整体的造价，采用双
基色的屏体是常用的方案；随着蓝色单管的价格不断降低，RGB三基色（一般就是指全彩
色）LED屏体不断得到应用，相信这种全彩色LED显示屏就是今后的发展方向。
上面提到象素是可以显示有效颜色或有效信息的最小单位。一般显示屏加工成方形,称
水平方向为宽,垂直方向为高。不用绝对长度来衡量宽和高,而用水平方向和垂直方向的像素
数量来表示,本文常常提及显示屏宽多少像素,高多少像素。
虽然LED显示屏可以分为文本显示屏的和图像显示屏，但因为一般点阵屏体两者都可
以显示，只是控制部分有所不同，所以这种分类方法没有多少实用意义。另外也有将LED
显示屏分为室内、室外和半室外几种，只是在结构和密封等指标上有所不同，但基本原理却
是一样的，最多强调的区别在于亮度和对比度。
经常也将LED显示屏分类为同步LED显示屏和异步LED显示屏，区别是看显示屏是
否可以同步显示计算机的VGA信号、DVI信号或是电视的RF信号、AV的视频信号。如果
可以同步显示，则称之为同步显示屏。同步显示屏就像一台计算机显示器，或是一台监视器。
而另一类显示屏不能同步显示上述信息，其只能将要显示的信息预先编辑好，然后按照脚本第二章LED显示屏系统概述
3
的要求播放这些信息，称这种显示屏为异步显示屏。脚本指定了信息播放的顺序，次数和动
态效果，称这种动态的效果为播放特技。从这个角度看，异步显示屏更像是电子通知栏或是
电子黑板。
LED显示屏多数是采用扫描点亮方式工作的，即任意时刻并不是所有的LED都点亮，
而只是按行点亮一部分，各个点亮行交替的频率很快，以使人眼视觉分辨不出这种闪烁，呈
现在眼前的就是一副稳定的图像。通常是按照行来分割屏体的，有的屏体在完成一副完整图
像的显示需要在时间上分16次完成，而有的则分为4次完成，也有分2次的，甚至有不分
的，所有象素同时点亮，这时扫描就没有意义，就成为静态锁存形式的屏了。需要一个量描
述这种分时的次数，使用扫描线数（有些文章亦称为象素共享系数）这个概念来描述完成一
屏扫描的分时次数，如16次显示的称之为16线屏，4次显示的则称为4线屏，静态锁存的
屏线数为1。线数越小，亮度越高，而电路则越复杂。
为实现可以显示灰度图像的LED显示屏，需要对LED的亮度进行控制，通常有两种方
法：电流控制和和占空比控制。电流控制是通过调节LED的正向电流来控制亮度。如把LED
的正向导通电流按一定的步长调节，其发光亮度就可以分为若干个灰度级。但这种方式所需
的驱动电路很复杂，可控性小，而且线性不好，因此在实际的应用并不多。
常用的灰度实现方法是占空比方式。这一点的依据来源于HVS（人眼视觉系统）的特
性：人眼视觉对于光的刺激从感觉上会有一段残留时间，在该段时间内，若有别的光刺激到
达视野内的其他场所，从感觉上会产生与前面的光线同时到达的效果，假如后续的光刺激到
达同样的场所，其感觉的强度会被叠加（被积分）。
将LED管恒流驱动，如果在上述时间间隔内，以宽度不同的一系列脉冲控制LED发光，
人眼感觉到的光强就是这一系列光刺激强度的和。LED所具有的快速响应特性可以使脉冲
频率高达数十兆赫兹。因此控制LED点亮所占的时间比，即可控制人眼感受到的亮度。例
如用1MHz，占空比为25%，峰值电流为100mA的脉冲去驱动LED，与用25mA的直流驱
动相比其感受到的亮度是相同的。
2.2 LED显示屏系统架构
实际的LED显示屏不止是孤立的屏体，而是一种信息显示系统。它接收某种信息源的
信息或自身就带有信息源，并将其以适当的形式显示在屏体上。LED显示屏一般由信号产
生部分，传输部分，扫描控制部分和屏体部分组成。一个典型的LED显示屏系统可以用图
1表示：
各个部分的功能如下：
信号产生部分：在同步屏系统中，信号产生部分接收有线电视的RF信号、DVD/VCD
输出的AV信号或是计算机输出的VGA信号或DVI信号，然后对信号进行数字化
图1 LED显示屏系统架构框图东南大学硕士学位论文
及格式变换，形成用于传输的数据。在异步屏系统中，信号产生部分通常是一台
PC机，其可以将各种资源如文本和图像生成用于传输的数据流。
传输部分：一般信号源距离LED显示屏屏体都有相当长的一段距离，传输部分的
作用是将信号产生部分的数据进行传输格式变换、协议变换和电平变换，然后传输
到屏体的位置，再经过相应的反变换，将数据流恢复，提供给扫描控制部分。在这
个过程中使用了各种传输协议和传输技术：数据量小的可以使用串行传输，数据量
大的使用并行数据传输或是以太网传输；距离近的使用RS232电平传输，距离远
一点的可以使用RS485电平差分传输甚至使用光纤传输等等。
扫描控制部分：用来接受传输部分的数据流，进行适当的处理和变换，最终驱动屏
体部分，完成显示。
屏体部分：屏体是按照固定形式组成的LED单管或单元阵列，具体的说屏体首先
是由驱动模块组成的，各个驱动模块具有相同的结构、尺寸和接口。驱动模块之间
一般支持级联，可以用一个公共的接口来控制一组级联的模块。每个驱动模块的结
构都一样，是由LED单管或单元阵列并配以扫描驱动电路组成的。下面部分就介
绍了屏体部分的原理和扫描控制部分的原理。
2.3屏体部分的原理
2.3.1 LED单管阵列
点阵形式的LED屏，是将LED单管组成阵列，其中若干个单管构成一个象素。原则上，
只要屏体的控制电路可以使每个象素都独立可控，那么这样的屏体就是符合要求的；但是实
际的屏体是由数量巨大的LED单管组成的阵列，所以阵列的驱动设计还需要考虑其它一些
因素，比如总是希望具有接口简单、时序简单、易于级联等特性。图2表示了阵列中一行
LED控制的原理。
从图2可以看出每个LED单管都是独立可控的，当开关闭合时，电流流经限流电阻、
LED、开关到地，从而LED点亮；开关断开时，LED熄灭。LED阵列就由相应的开关阵列
图2 LED单管阵列