LED顯示屏系統(tǒng)原理及工程技術(shù)

前 言

    導(dǎo)讀：LED顯示屏是利用發(fā)光二極管點(diǎn)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(zhǎng)、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對(duì)室內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，隨著LED制造技術(shù)的不斷完善，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用。

    本主題首先介紹了LED顯示屏的發(fā)展與應(yīng)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(xì)介紹了LED點(diǎn)陣顯示屏的具體電路和參數(shù)。

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

    第三章的內(nèi)容是圖象顯示屏，側(cè)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(yīng)用。

    第四章討論了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的視頻顯示屏，就視頻信號(hào)源的組織、視頻LED顯示屏的結(jié)構(gòu)、主要集成電路芯片，以及配套的應(yīng)用軟件等，分別介紹了ZQL9701、DS90C031等芯片的技術(shù)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(guó)LED的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本書可供從事各類LED顯示屏工作的工程技術(shù)人員參考，也可作為大專院校有關(guān)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(diǎn)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(zhǎng)、組態(tài)靈活、色彩豐富以及對(duì)室內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，隨著LED制造技術(shù)的不斷完善，在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)改革開(kāi)放之后，特別是進(jìn)入90年代國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，對(duì)公眾場(chǎng)合發(fā)布信息的需求日益強(qiáng)烈，LED顯示屏的出現(xiàn)正好適應(yīng)了這一市場(chǎng)形勢(shì)，因而在LED顯示屏的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與應(yīng)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(guò)程。無(wú)論在期間的性能（提高亮度LED顯示器及藍(lán)色發(fā)光燈等）和系統(tǒng)的組成（計(jì)算機(jī)化的全動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)）等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前已經(jīng)達(dá)到的超高亮度全彩色視頻顯示的水平，可以說(shuō)能夠滿足各種應(yīng)用條件的要求。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)遍及交通、證券、電信、廣告、宣傳等各個(gè)方面。我國(guó)LED顯示屏的發(fā)展可以說(shuō)基本上與世界水平同步，至今已經(jīng)形成了一個(gè)具有相當(dāng)發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。應(yīng)該指出的是，我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)不但在應(yīng)用技術(shù)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(shè)備公司研制的ZQL9701超大規(guī)模芯片，就代表了當(dāng)前LED顯示屏控制電路的國(guó)際水平。

    與國(guó)內(nèi)LED顯示屏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展相比，目前關(guān)于LED顯示屏的圖書資料顯得太少，不便于設(shè)計(jì)制造人員及運(yùn)用維護(hù)人員的工作，由此萌發(fā)了編寫一本LED顯示屏技術(shù)用書的想法，適逢電子科技大學(xué)出版社之邀，斗膽動(dòng)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(guān)技術(shù)問(wèn)題進(jìn)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(yīng)用的產(chǎn)品，涉及光電子學(xué)、半導(dǎo)體器件、數(shù)字電子電路、大規(guī)模集成電路、單片機(jī)及微機(jī)等各個(gè)方路及方法還要花較大篇幅進(jìn)行介紹，容易沖淡主題。反過(guò)來(lái)采用集成電路和單片機(jī)等簡(jiǎn)單普及的刻與LED顯述硬件又有軟件。上述各個(gè)領(lǐng)域都自成體系，在本書中無(wú)法一一盡述，只能以顯示意直接有關(guān)的部分，而不追求各相關(guān)技術(shù)自身的完成性；二、盡量采用簡(jiǎn)單普及的方案進(jìn)不方案，可以追求相關(guān)技術(shù)的先進(jìn)性。例如在一些控制電路中，能用常規(guī)集成電路實(shí)現(xiàn)，而又面，既示避免各個(gè)相關(guān)技術(shù)“從頭說(shuō)起”的麻煩，從而達(dá)到精簡(jiǎn)內(nèi)容突出重點(diǎn)的目的。而不行描屏有進(jìn)行討論。書中在處理相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)方面采取了以下兩條對(duì)策：一、側(cè)重?cái)⑹銎翞橹骶�，介紹相關(guān)技術(shù)在LED顯示屏中的應(yīng)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(jì)算機(jī)專用設(shè)備、顯示屏幕、視頻輸入端口和系統(tǒng)軟件等組成。
● 計(jì)算機(jī)及專用設(shè)備：計(jì)算機(jī)及專用設(shè)備直接決定了系統(tǒng)的功能，可根據(jù)用戶對(duì)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(lái)自計(jì)算機(jī)的顯示信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光產(chǎn)生畫面，并通過(guò)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(hào)源可以是錄像機(jī)、影碟機(jī)、攝像機(jī)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(jì)算機(jī)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(diǎn)對(duì)應(yīng)，顯示內(nèi)容實(shí)時(shí)同步，屏幕映射位置可調(diào)，可方便隨意地選擇顯示畫面的大小。
●顯示點(diǎn)陣采用超高亮度 LED發(fā)光管(紅、綠雙基色)，256級(jí)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(dòng)畫播放軟件，可播放高質(zhì)量的圖文信息及三維動(dòng)畫。播放軟件顯示信息的方式有覆蓋、合攏、開(kāi)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(guò)鍵盤,鼠標(biāo)、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(jī)或服務(wù)器硬盤,節(jié)目播放順序與時(shí)間,實(shí)現(xiàn)一體化交替播放,并可相互疊加。
●可以接收顯示錄像機(jī)、影碟機(jī)等視頻信號(hào)。

LED視頻顯示系統(tǒng)

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系統(tǒng)介紹及特點(diǎn) 
    1. 模塊化設(shè)計(jì)：電路設(shè)計(jì)按功能分成不同的模塊，每個(gè)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(diào)試難度、維護(hù)難度大大降低，可靠性高。所有硬件電路全部選用進(jìn)口元器件，品質(zhì)高，可靠性好。

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

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

    4. 軟件設(shè)計(jì)新穎：WINDOWS風(fēng)格界面，設(shè)計(jì)專用軟件經(jīng)驗(yàn)豐富。軟件功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)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(dòng)畫文字、插播消息等。

    5. 可視性好：產(chǎn)品采用進(jìn)口LED晶片，構(gòu)成的顯示屏具有高亮度、色彩鮮艷、視角大、壽命長(zhǎng)（100,000小時(shí)）穩(wěn)定性高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。 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(yīng)用場(chǎng)所要求任意組裝成所需要的顯示屏尺寸，并且便于維護(hù)。

LED電子顯示屏系統(tǒng)簡(jiǎn)介及分類

 
    近年來(lái)LED顯示屏市場(chǎng)得到了迅猛的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到銀行、郵電、稅務(wù)、機(jī)場(chǎng)、車站、證券市場(chǎng)及其它交易市場(chǎng)、醫(yī)院、電力、海關(guān)、體育場(chǎng)等多種需要進(jìn)行公告、宣傳的場(chǎng)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(shè)的標(biāo)志。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步，以及LED顯示技術(shù)的不斷完善，人們對(duì)LED顯示屏的認(rèn)識(shí)將會(huì)越來(lái)越深入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)��?huì)越來(lái)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(qū)動(dòng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、耗電省、2、使用壽命長(zhǎng)、3、成本低、4、亮度高、5、視角大、6、可視距離遠(yuǎn)、7、規(guī)格品種多。

    LED顯示產(chǎn)品系列 A、單色、彩色條形顯示屏、B、計(jì)算機(jī)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(diǎn)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(lán)）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(lán)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(nèi)顯示屏、室外顯示屏、半戶外顯示屏按發(fā)光點(diǎn)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(shù)特點(diǎn) A、效果卓越：采用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，畫面穩(wěn)定，無(wú)雜點(diǎn)，圖像效果清晰，動(dòng)畫效果生動(dòng)，多樣；視頻效果流暢；B、內(nèi)容豐富：可顯示文字、圖表、圖像、動(dòng)畫、視頻信息；C、方式靈活：可由用戶任意編排顯示模式；D、質(zhì)量保證：采用進(jìn)口發(fā)光材料、高品質(zhì)IC芯片、無(wú)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(shè)計(jì)，安裝，維護(hù)方便；

    使用環(huán)境：LED顯示屏按使用環(huán)境分為室內(nèi)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(jí)又可分為16、32、64、128、256級(jí)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(jì)算機(jī)視頻LED顯示屏，電視視頻LED顯示屏和行情L(zhǎng)ED顯示屏等。行情L(zhǎng)ED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(diǎn)非行情類LED顯示屏中，室內(nèi)LED顯示屏按采用的LED單點(diǎn)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(jī)——上海市八萬(wàn)人體育場(chǎng)、上海大眾汽車公司、上海國(guó)際信托投資公司、上海房產(chǎn)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(shí)觀看的信源較少時(shí)，適合選擇單機(jī)大屏幕。但在較為復(fù)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(bào)警等領(lǐng)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(jī)分辨率和亮度的影響，例如一個(gè)2×2四個(gè)單機(jī)的拼接系統(tǒng)，單機(jī)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(jī)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(jié)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(shí)現(xiàn)的功能有分割、分屏顯示、開(kāi)窗口：即在四屏組成的底圖上，用任意一屏顯示一個(gè)獨(dú)立的畫面。由于采用硬件拼接，圖像處理完全是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，安裝操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是拼接規(guī)模小，只能四屏拼接，擴(kuò)展很不方便，不適應(yīng)多屏拼接的需要；所開(kāi)窗口固定為一個(gè)屏幕大小，不可放大、縮小或移動(dòng)。

    軟件拼接系統(tǒng)是用軟件來(lái)分割圖像，采用軟件方法拼接圖像，可十分靈活的對(duì)圖像進(jìn)行特技控制，如在任意位置開(kāi)窗口；任意放大、縮��；利用鼠標(biāo)即可對(duì)所開(kāi)的窗口任意拖動(dòng)，在控制臺(tái)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(jié)合的拼接系統(tǒng),可綜合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn),克服其缺點(diǎn)。這種系統(tǒng)可以實(shí)用顯示多個(gè)RGB模擬信號(hào)及XWindow的動(dòng)態(tài)圖形，是為多通道現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)顯示專門設(shè)計(jì)的。通過(guò)硬件和軟件以及控制/輿接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同窗口的動(dòng)態(tài)顯示。它透明度高：圖像疊加透明顯示，共有256級(jí)透明度，令動(dòng)態(tài)圖像和背景活靈活現(xiàn)。并聯(lián)擴(kuò)展性極好：系統(tǒng)采用并聯(lián)框結(jié)構(gòu)，最多可控制上千個(gè)投影機(jī)同時(shí)工作。

    投影顯示墻的比較 CRT LCD DLP 目前國(guó)際上流行產(chǎn)品的尺寸（對(duì)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(shí)） 大于10000 1000--6000（UHP） 8000--10000（UHP） 物理接縫（gap between screen） ＜0.8mm ＜0.8mm ＜0.8mm 光學(xué)接縫（gap between image） 1mm 1mm 0.8mm 使用的單元數(shù)增加會(huì)增加對(duì)控制系統(tǒng)的要求，因此會(huì)增加造價(jià) 其他 必須增加蠕動(dòng)功能，否則會(huì)產(chǎn)生burning效應(yīng) 無(wú)此要求 顏色（相對(duì)） 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(huì)聚 要進(jìn)行會(huì)聚調(diào)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(chǎng)合 視頻顯示最佳 計(jì)算機(jī)圖文 計(jì)算機(jī)圖文/視頻 維護(hù) 可能進(jìn)行會(huì)聚和顏色調(diào)整，更換投影管 只要更換燈泡時(shí)進(jìn)行顏色和亮度調(diào)整 只要更換燈泡時(shí)進(jìn)行顏色和亮度調(diào)整 單屏： (鑲墻式、箱體式） 組成：?jiǎn)纹链笃聊灰话阌赏队皺C(jī)、背投屏幕、金屬結(jié)構(gòu)、光學(xué)反射系統(tǒng)及散熱系統(tǒng)組成。

    功能：主要用于動(dòng)態(tài)視頻圖像及計(jì)算機(jī)圖像的顯示，就如一臺(tái)超大的顯示器或電視機(jī)。 優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)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(wú)拼接縫。 缺點(diǎn)：屏幕尺寸越大，要求背投空間越大 燈泡壽命短(約1000-6000小時(shí)) 不能連續(xù)24小時(shí)工作(若必須7/24連續(xù)工作，需選擇專業(yè)控制室投影機(jī)，造價(jià)高) 拼接投影墻(大尺寸拼接） 由多臺(tái)投影機(jī)，多個(gè)屏幕，矩陣及圖像處理器構(gòu)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(jī)一般選用LCD或DLP投影機(jī)、屏幕可選擇進(jìn)口光學(xué)透鏡屏或國(guó)產(chǎn)散射屏。

優(yōu)點(diǎn)： 1)顯示面積巨大，造價(jià)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(diǎn)：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(huì)有亮度，顏色的差異，需要挑選投影機(jī)及對(duì)投影機(jī)鏡頭與光學(xué)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(shí)，與所選投影機(jī)有關(guān)。 4)不能連續(xù)24小時(shí)工作(若必須7/24連續(xù)工作，需選擇專業(yè)控制室投影機(jī)，造價(jià)高)。