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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)的輸出，設計復雜度降低，而且由于pwm的亮度控制與數(shù)據(jù)串行移出無關，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)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(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(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(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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

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(shù)據(jù)，并/串轉換后輸出，同時保持mode=1，這樣完成了一個通道數(shù)據(jù)的輸出，將一行對應所有的通道數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鎖存入tlc5941內部對應的控制寄存器中，一行數(shù)據(jù)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。