LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術

前 言

    導讀：LED顯示屏是利用發(fā)光二極管點陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。由于它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，自20世紀80年代后期開始，隨著LED制造技術的不斷完善，在國外得到了廣泛的應用。

    本主題首先介紹了LED顯示屏的發(fā)展與應用概況。

    在第一章中敘述了LED顯示器件的基本工作原理及特性，詳細介紹了LED點陣顯示屏的具體電路和參數(shù)。

    第二章針對廣泛應用的圖文顯示屏，在介紹它的基本組成之后，對各部分LED顯示屏電路進行了深入的分析，并給出了完整實用的硬件電路圖和全部匯編語言程序清單。

    第三章的內容是圖象顯示屏，側重分析了LED顯示屏的灰度控制方法，并介紹了集成電路TLC5902的特性及應用。

    第四章討論了當時最先進的視頻顯示屏，就視頻信號源的組織、視頻LED顯示屏的結構、主要集成電路芯片，以及配套的應用軟件等，分別介紹了ZQL9701、DS90C031等芯片的技術特性和LEDSHOW、&ldquo；LED管理工具&rdquo等軟件的使用方法。書后還附有我國LED的行業(yè)標準。本書可供從事各類LED顯示屏工作的工程技術人員參考，也可作為大專院校有關專業(yè)的教書參考書或教材。

    LED顯示屏是利用發(fā)光二極管點陣模塊或像素單元組成的平面式顯示屏幕。由于它具有發(fā)光率高、使用壽命長、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對室內外環(huán)境適應能力強等優(yōu)點，自20世紀80年代后期開始，隨著LED制造技術的不斷完善，在國外得到了廣泛的應用。在我國改革開放之后，特別是進入90年代國民經(jīng)濟高速增長，對公眾場合發(fā)布信息的需求日益強烈，LED顯示屏的出現(xiàn)正好適應了這一市場形勢，因而在LED顯示屏的設計制造技術與應用水平上都得到了迅速的提高。

    LED顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖象顯示屏，一直到今天的全彩色視頻顯示屏的發(fā)展過程。無論在期間的性能（提高亮度LED顯示器及藍色發(fā)光燈等）和系統(tǒng)的組成（計算機化的全動態(tài)顯示系統(tǒng)）等方面都取得了長足的進步。目前已經(jīng)達到的超高亮度全彩色視頻顯示的水平，可以說能夠滿足各種應用條件的要求。其應用領域已經(jīng)遍及交通、證券、電信、廣告、宣傳等各個方面。我國LED顯示屏的發(fā)展可以說基本上與世界水平同步，至今已經(jīng)形成了一個具有相當發(fā)展?jié)摿Φ漠a業(yè)。應該指出的是，我國LED產業(yè)不但在應用技術上取得了巨大的成功，而且在創(chuàng)新能力上有出色的表現(xiàn)，例如北京中慶數(shù)據(jù)設備公司研制的ZQL9701超大規(guī)模芯片，就代表了當前LED顯示屏控制電路的國際水平。

    與國內LED顯示屏產業(yè)的迅速發(fā)展相比，目前關于LED顯示屏的圖書資料顯得太少，不便于設計制造人員及運用維護人員的工作，由此萌發(fā)了編寫一本LED顯示屏技術用書的想法，適逢電子科技大學出版社之邀，斗膽動筆草就本書。書中分別就LED顯示屏的概況、LED顯示器件、圖文顯示屏、圖象顯示屏、視頻顯示屏等有關技術問題進行了敘述，以期使從事各類LED顯示屏工作的讀者能夠從本書中得到一些有用的材料。

    由于LED顯示屏是多種綜合應用的產品，涉及光電子學、半導體器件、數(shù)字電子電路、大規(guī)模集成電路、單片機及微機等各個方路及方法還要花較大篇幅進行介紹，容易沖淡主題。反過來采用集成電路和單片機等簡單普及的刻與LED顯述硬件又有軟件。上述各個領域都自成體系，在本書中無法一一盡述，只能以顯示意直接有關的部分，而不追求各相關技術自身的完成性；二、盡量采用簡單普及的方案進不方案，可以追求相關技術的先進性。例如在一些控制電路中，能用常規(guī)集成電路實現(xiàn)，而又面，既示避免各個相關技術“從頭說起”的麻煩，從而達到精簡內容突出重點的目的。而不行描屏有進行討論。書中在處理相關領域技術方面采取了以下兩條對策：一、側重敘述屏為主線，介紹相關技術在LED顯示屏中的應用，不采器件的方案。

LED電子顯示屏控制原理

 

（一）系統(tǒng)組成本系統(tǒng)由計算機專用設備、顯示屏幕、視頻輸入端口和系統(tǒng)軟件等組成。
● 計算機及專用設備：計算機及專用設備直接決定了系統(tǒng)的功能，可根據(jù)用戶對系統(tǒng)的不同要求選擇不同的類型。
●顯示屏幕：顯示屏的控制電路接收來自計算機的顯示信號，驅動LED發(fā)光產生畫面，并通過增加功放、音箱輸出聲音。
● 視頻輸入端口：提供視頻輸入端口，信號源可以是錄像機、影碟機、攝像機等，支持NTSC、PAL、S_Video等多種制式。
● 系統(tǒng)軟件：提供LED播放專用軟件，powerpoint或ES98視頻播放軟件。系統(tǒng)原理圖如下： 

（二）系統(tǒng)功能該系統(tǒng)具備如下功能：
●以計算機為處理控制中心，電子屏幕與電腦顯示器(VGA)窗口某一區(qū)域逐點對應，顯示內容實時同步，屏幕映射位置可調，可方便隨意地選擇顯示畫面的大小。
●顯示點陣采用超高亮度 LED發(fā)光管(紅、綠雙基色)，256級灰度，顏色變化組合65536種，色彩豐富逼真，并支持VGA 24位真彩色顯示模式。 ● 配備圖文信息及三維動畫播放軟件，可播放高質量的圖文信息及三維動畫。播放軟件顯示信息的方式有覆蓋、合攏、開簾、色彩交替、放大縮小等十多種形式。
● 使用專用節(jié)目編輯播放軟件,可通過鍵盤,鼠標、掃描儀等不同的輸入手段編輯、增加、刪除和修改文字、圖形、圖像等信息。編排存于控制主機或服務器硬盤,節(jié)目播放順序與時間,實現(xiàn)一體化交替播放,并可相互疊加。
●可以接收顯示錄像機、影碟機等視頻信號。

LED視頻顯示系統(tǒng)

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系統(tǒng)介紹及特點 
    1. 模塊化設計：電路設計按功能分成不同的模塊，每個模塊之間只需要極少的聯(lián)系，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。調試難度、維護難度大大降低，可靠性高。所有硬件電路全部選用進口元器件，品質高，可靠性好。

    2. 先進的分布式掃描技術：顯示部分的掃描采用掃描控制技術，顯示部分被分成不同的單元，獨立進行掃描。每個單元之間的信號傳遞采用信號鎖存技術進行同步控制。顯示的穩(wěn)定性大大增加。

    3. 精心設計的通信接口技術：通信距離可達1000米�？梢钥箵簟�15KV的靜電放電沖擊。RS-422專用設計接口。極大地提高了系統(tǒng)通信的可靠性。

    4. 軟件設計新穎：WINDOWS風格界面，設計專用軟件經(jīng)驗豐富。軟件功能強、操作簡便。通用顯示屏軟件具有良好的用戶界面，清晰的菜單窗口，用戶可以根據(jù)需要，任意編排節(jié)目，既能播放錄像，也能播放動畫文字、插播消息等。

    5. 可視性好：產品采用進口LED晶片，構成的顯示屏具有高亮度、色彩鮮艷、視角大、壽命長（100,000小時）穩(wěn)定性高、響應速度快等特點。 6. 易于安裝：采用顯示單元板或顯示單元箱體，根據(jù)用戶要求和應用場所要求任意組裝成所需要的顯示屏尺寸，并且便于維護。

LED電子顯示屏系統(tǒng)簡介及分類

 
    近年來LED顯示屏市場得到了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用到銀行、郵電、稅務、機場、車站、證券市場及其它交易市場、醫(yī)院、電力、海關、體育場等多種需要進行公告、宣傳的場合。

    目前LED顯示屏作為信息傳播的一種重要手段，已經(jīng)成為城市信息現(xiàn)代化建設的標志。隨著社會經(jīng)濟的不斷進步，以及LED顯示技術的不斷完善，人們對LED顯示屏的認識將會越來越深入，其應用領域將會越來越廣。

    LED是發(fā)光二極管Light Emitting Diode 的英文縮寫。LED顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅動，具有如下優(yōu)點：
1、耗電省、2、使用壽命長、3、成本低、4、亮度高、5、視角大、6、可視距離遠、7、規(guī)格品種多。

    LED顯示產品系列 A、單色、彩色條形顯示屏、B、計算機控制數(shù)碼顯示屏、C、單色圖文顯示屏、D、三色（紅、綠、黃）圖文顯示屏、E、點陣和數(shù)碼混合顯示屏（證券屏）、F、雙基色（紅、綠）多媒體視頻同步顯示屏、G、三基色（紅、綠、藍）多媒體視頻同步顯示屏

    LED顯示屏分類方式按顯示顏色分為：單紅色、單綠色、紅綠雙基色、 紅綠藍三色按使用功能分為：圖文顯示屏、多媒體視頻顯示屏、行情顯示屏、條形顯示屏按使用環(huán)境分為：室內顯示屏、室外顯示屏、半戶外顯示屏按發(fā)光點直徑分為：φ3.0、φ3.7、φ4.8、φ5.0、φ8.0、ph8、ph10、ph16、ph20等。

    LED顯示屏技術特點 A、效果卓越：采用動態(tài)掃描技術，畫面穩(wěn)定，無雜點，圖像效果清晰，動畫效果生動，多樣；視頻效果流暢；B、內容豐富：可顯示文字、圖表、圖像、動畫、視頻信息；C、方式靈活：可由用戶任意編排顯示模式；D、質量保證：采用進口發(fā)光材料、高品質IC芯片、無噪聲大功率電源；E、信息量大：顯示的信息不受限制；F、維修方便：模塊化設計，安裝，維護方便；

    使用環(huán)境：LED顯示屏按使用環(huán)境分為室內LED顯示屏和室外LED顯示屏。 顯示顏色：LED顯示屏按顯示顏色分為單基色LED顯示屏（含偽彩色LED顯示屏），雙基色LED顯示屏和全彩色（三基色）LED顯示屏。按灰度級又可分為16、32、64、128、256級灰度LED顯示屏等。

    顯示性能：LED顯示屏按顯示性能分為文本LED顯示屏、圖文LED顯示屏，計算機視頻LED顯示屏，電視視頻LED顯示屏和行情LED顯示屏等。行情LED顯示屏一般包括證券、利率、期貨等用途的LED顯示屏。 基本發(fā)光點非行情類LED顯示屏中，室內LED顯示屏按采用的LED單點直徑可分為Φ3mm、Φ3.75mm、Φ5mm、Φ8mm、和Φ10mm等顯示屏；室外LED顯示屏按采用的象素直徑可分為Φ16mm、Φ19mm、Φ22mm和Φ26mm等LED顯示屏。行情類LED顯示屏中按采用的數(shù)碼管尺寸可分2.0cm(0.8inch)、2.5cm(1.0inch)、3.0cm(1.2inch)、4.6cmm(1.8inch)、5.8cm(2.3inch)、7.6cm(3inch)等LED顯示屏。

    大屏幕顯示屏業(yè)績——上海市八萬人體育場、上海大眾汽車公司、上海國際信托投資公司、上海房產交易所、寶山鋼鐵公司等。

大屏幕拼接顯示屏系統(tǒng)

    一般用戶在需要同時觀看的信源較少時，適合選擇單機大屏幕。但在較為復雜的監(jiān)控中，如大型郵電通信系統(tǒng)、道路交通管理、能源分配輸送、工業(yè)控制、110報警等領域，需全景瀏覽，統(tǒng)一指揮，就必須選擇大屏幕拼接系統(tǒng)。大屏幕拼接系統(tǒng)不再受單機分辨率和亮度的影響，例如一個2×2四個單機的拼接系統(tǒng)，單機分辨率為1024×768，亮度為500lm，則拼接后的系統(tǒng)分辨率為2048×1536，亮度為2000lm。

    拼接系統(tǒng)主要由三部分組成：大屏幕投影墻、投影機陣列、控制系統(tǒng)。其中控制系統(tǒng)是核心，目前世界上流行的拼接控制系統(tǒng)主要有三種類型：硬件拼接系統(tǒng)、軟件拼接系統(tǒng)、軟件與硬件相結合的拼接系統(tǒng)。 硬件拼接系統(tǒng)是較早使用的一種拼接方法，可實現(xiàn)的功能有分割、分屏顯示、開窗口：即在四屏組成的底圖上，用任意一屏顯示一個獨立的畫面。由于采用硬件拼接，圖像處理完全是實時動態(tài)顯示，安裝操作簡單；缺點是拼接規(guī)模小，只能四屏拼接，擴展很不方便，不適應多屏拼接的需要；所開窗口固定為一個屏幕大小，不可放大、縮小或移動。

    軟件拼接系統(tǒng)是用軟件來分割圖像，采用軟件方法拼接圖像，可十分靈活的對圖像進行特技控制，如在任意位置開窗口；任意放大、縮��；利用鼠標即可對所開的窗口任意拖動，在控制臺上控制屏幕墻，如同控制自己的顯示器一樣方便。 軟件與硬件相結合的拼接系統(tǒng),可綜合以上兩種方法的優(yōu)點,克服其缺點。這種系統(tǒng)可以實用顯示多個RGB模擬信號及XWindow的動態(tài)圖形，是為多通道現(xiàn)場即時顯示專門設計的。通過硬件和軟件以及控制/輿接口，來實現(xiàn)不同窗口的動態(tài)顯示。它透明度高：圖像疊加透明顯示，共有256級透明度，令動態(tài)圖像和背景活靈活現(xiàn)。并聯(lián)擴展性極好：系統(tǒng)采用并聯(lián)框結構，最多可控制上千個投影機同時工作。

    投影顯示墻的比較 CRT LCD DLP 目前國際上流行產品的尺寸（對角線/英寸） 41、44、51 72、84、100、120、150 50、60、67 光源 7英寸投影管燈泡，燈泡 一般使用壽命（小時） 大于10000 1000--6000（UHP） 8000--10000（UHP） 物理接縫（gap between screen） ＜0.8mm ＜0.8mm ＜0.8mm 光學接縫（gap between image） 1mm 1mm 0.8mm 使用的單元數(shù)增加會增加對控制系統(tǒng)的要求，因此會增加造價 其他 必須增加蠕動功能，否則會產生burning效應 無此要求 顏色（相對） 色還原性最好 最差 介于兩者之間 亮度 最低（7英寸170ANSI流明） 較高（600ANSI流明以上） 較高（600ANSI流明以上） 會聚 要進行會聚調試 單元分辨率 640*480/800*600 800*600/1024*768/1280x1024 800*600/1024*768/1280x1024 亮度均勻性 >75% >85% >85% 使用場合 視頻顯示最佳 計算機圖文 計算機圖文/視頻 維護 可能進行會聚和顏色調整，更換投影管 只要更換燈泡時進行顏色和亮度調整 只要更換燈泡時進行顏色和亮度調整 單屏： (鑲墻式、箱體式） 組成：單屏大屏幕一般由投影機、背投屏幕、金屬結構、光學反射系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)組成。

    功能：主要用于動態(tài)視頻圖像及計算機圖像的顯示，就如一臺超大的顯示器或電視機。 優(yōu)點：造價低，屏幕尺寸較靈活，一般有72″(1463mm×1097mm)，84″(1706mm×1280mm)， 90″(1854mmm×1396mm)， 96″(1950mm×1463mm), 100″(2032mm×1524mm), 120″(2438mm×1828mm), 125″(2508mm×1874mm), 140″(2845mm×2134mm), 150″(3048mm×2286mm),160″(3252mm×2440mm),無拼接縫。 缺點：屏幕尺寸越大，要求背投空間越大 燈泡壽命短(約1000-6000小時) 不能連續(xù)24小時工作(若必須7/24連續(xù)工作，需選擇專業(yè)控制室投影機，造價高) 拼接投影墻(大尺寸拼接） 由多臺投影機，多個屏幕，矩陣及圖像處理器構成，一般用于高分辨率，超大屏幕以及多畫面顯示。 單元屏幕尺寸一般有72″(1463mm×1097mm)，84″(1706mm×1280mm)， 90″(1854mm×1396mm)， 96″(1950mm×1463mm), 100″(2032mm×1524mm), 120″(2438mm×1828mm), 125″(2508mm×1874mm), 140″(2845mm×2134mm), 150″(3048mm×2286mm),160″(3252mm×2440mm),投影機一般選用LCD或DLP投影機、屏幕可選擇進口光學透鏡屏或國產散射屏。

優(yōu)點： 1)顯示面積巨大，造價較低。 2)單元屏幕尺寸，控制較靈活，可方便控制顯示面積。
缺點：1)單元屏幕尺寸越大，所需背投空間越大。 2)由于多塊屏幕拼接在一起就會有亮度，顏色的差異，需要挑選投影機及對投影機鏡頭與光學透鏡屏的光焦匹配，盡可能做到單屏中心亮度與4角亮度均勻，多塊屏幕亮度與顏色一致。 3)燈泡壽命短，約1000-6000小時，與所選投影機有關。 4)不能連續(xù)24小時工作(若必須7/24連續(xù)工作，需選擇專業(yè)控制室投影機，造價高)。