基于TLC5941的全彩色LED大屏幕驅動設計

1 引言

    近年來，隨著計算機技術、大規(guī)模集成電路和專用元器件的飛速發(fā)展，256級灰度的全彩色LED大顯示屏在國內發(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出固有的差異，而且這種差異還隨時間發(fā)生變化，這樣由大量LED組成的大屏幕顯示時會出現一些隨機的暗斑或亮斑，嚴重影響顯示要求，需要采用在線的點校正消除這種影響，另一方面，現有的全彩色大屏幕一般亮度等級不足，即便采用了非線性灰度控制技術，在低亮度等級上表現色彩的能力仍然較差，顯示的層次感不強，由亮度等級不足導致的另一個問題是進行γ校正不容易，從而使全彩色LED大顯示屏產生一定的顏色失真。

    TI公司的最新推出的TLC5941驅動芯片具有點校正和高亮度等級的特點，由他組成的大屏幕驅動方案一定程度上解決了上述問題，可以構成高性能的顯示系統(tǒng)。

2 TLC5941芯片介紹

2.1 芯片特點

    TLC5941共有28個引腳，是一個16通道的LED恒流驅動器，能夠同時驅動16個LED，每通道最大驅動能力80mA，每個通道可以通過PWM方式根據內部亮度寄存器的值進行4096級亮度控制，內部每個通道亮度寄存器的長度是12位，另外，流動每個通道LED的驅動電路由內部6位的點校正寄存器的值進行64級控制，而且驅動電流的最大值可通過片外電阻設定。

    64級電流控制提供了LED點亮度校正的能力，4096級亮度調整則保證了即使在較低的亮度等級小，點陣中的每個點也有多達256級的灰度表示，從而紅綠藍全彩屏可有16M色的色彩表達能力，這兩點對于高質量的彩色大屏幕顯示是額外重要的。

    相對于傳統(tǒng)的彩色大屏幕顯示系統(tǒng)，設計中利用可編程邏輯芯片（或高速CPU）集中產生PWM進行亮度控制，采用TLC5941后，由于驅動芯片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、亮度和點校正數據的輸出，設計復雜度降低，而且由于PWM的亮度控制與數據串行移出無關，可以很方便地獲得較高的幀頻，取得很好的動態(tài)顯示效果。

2.2 管腳功能

    TLC5941的所有內部數據寄存器，亮度寄存器，點校正寄存器和錯誤狀態(tài)信息都是通過串行接口存取的，最大串行時鐘效率為30MHz。

    TLC5941的串行接口方式類似于74HC595，接口部分由5根信號線組成。

    Mode(模式信號):Mode=0是亮度信號輸入模式，Mode=1點校正信號輸入模式。

    SCLK（串行時鐘），在每個SCLK的上升沿，當Mode=0輸入數據和輸出數據移入和移出內部192位（16通道×12）的亮度串行移位寄存器，當Mode=1輸入數據和輸出數據移入和移出內部96（16通道×6）位的點校正串行移位寄存器。

    SOUT:串行數據輸出。

    SIN:串行數據輸入。

    XLAT：數據鎖存，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，隨機控制亮度PWM輸出，如果Mode=1，點校正串行移位寄存器鎖存到點校正控制寄存器，控制電流的輸出。

    為了保障彩色大屏幕的可靠運行，TLC5941提供了每一路LED開路和過溫檢測的能力，管腳XERR是集電極開路輸出，用于出錯時報警，16個通道中無論哪個通道有錯誤發(fā)生，XERR就會被拉到低電平，通過查詢芯片的內部狀態(tài)信息，就可以知道哪一路出現故障，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)控這個信號，系統(tǒng)可以在運行過程中進行自我診斷。

    另外TLC5941還提供了GCLK管腳，輸入一個時鐘信號可以同步PWM的產生。

3 基于TLC5941的動態(tài)掃描驅動電路

    本設計對象是640×480的全彩顯示系統(tǒng)，這里只介紹他的驅動部分，整個屏由4塊子屏組成，每一塊子屏管理640×120象素大小的范圍，都有單獨的驅動電路，由于是室內屏，驅動設計采用動態(tài)1/8掃描驅動方式。驅動電路的控制由可編程邏輯器件EPM1270（Altera）實現，為了提高幀頻，串行數據采用15路并行輸出的方法，每路對640×8象素大小的范圍進行刷新，圖1中給出的是子屏驅動中單路的電路框圖。

    這里使用TLC5941級聯(lián)組成LED點陣的列驅動，行驅動部分由74HC138和STM4953（PMOS管，4.5A）構成。

    EPM1270芯片負責管理顯示緩存，處理外部總線接口部分和維持LED點陣的動態(tài)掃描過程，EPM1270內部模塊結構如圖2所示。

    為了防止LED動態(tài)掃描過程中對寄存器的訪問與外部總線在更新顯示數據時訪問寄存器之間產生沖突，這里也是采用了雙緩存的結構，當LED掃描過程訪問的是一片存儲器，暴露在總線接口的就是另一片存儲器，外部接口的特定的掃描控制寄存器操作時，引起兩片寄存器的交換，同時顯示內容也得以更新，存儲器采用兩片靜態(tài)RAM——IDT71V424（512k×8），EPM1270與存儲器的接口低8位采用地址數據復用以節(jié)省EPM1270的I/O管腳。

     存儲器中前26k開始存儲的是每點的色彩信息，每象素3個字節(jié)24位表示顏色，每個字節(jié)分別對應于一個象素的紅綠藍3個象素的彩色亮度值，后256k開始存放的是經過γ校正修正后的點校正數據。

     整屏的亮度由EPM1270擴展的亮度寄存器控制，每個TLC5941寫入時，EPM1270控制先從當前象素對應的存儲器空間讀出每個顯示單元的色素值，再與亮度寄存器值運算后得到12位的每通道TLC5941的亮度值（控制每個象素的亮度和色彩），通過并/串轉換后輸出，同時保持Mode=0；輸出亮度后，從后256k的對應空間讀取6位點校正數據，并/串轉換后輸出，同時保持Mode=1，這樣完成了一個通道數據的輸出，將一行對應所有的通道數據輸出完畢后，暫停串行時鐘，置Mode=0，在XLAT腳產生一個正脈沖，再置Mode=1，在XLAT腳產生正脈沖，分別將數據鎖存入TLC5941內部對應的控制寄存器中，一行數據輸出完畢。

    圖3中給出具體過程。

4 結語

    采用Verilog語言對EPM1270進行邏輯設計，綜合后占用芯片資源的79%，利用上述設計構建的彩色大屏幕系統(tǒng)刷新頻率達到60Hz，通過γ校正和點校正，全屏各象素點亮度均勻，層次感很強，達到了設計要求，這個基于TLC5941的全彩色大屏幕驅動方案聯(lián)機屏和脫機屏都可以使用，實踐證明具有良好的顯示效果。