LED显示屏工作原理及工程技术
工作原理 LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、彩丰富以及对室内外环境适应能力强 等优点，自20世纪80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增 长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。 LED显示屏经历了从单、双图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝 发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条 件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当 发展潜力的产业。应该指出的是，我国LED产业不但在应用技术上取得了巨大的成功，而且在创新能力上有出的表现,例如北京中庆数据设备公司研制的 ZQL9701超大规模芯片，就代表了当前LED显示屏控制电路的国际水平。 与国内LED显示屏产业的迅速发展相比，目前关于LED显示屏的图书资料显得太少,不便于设计制造人员及运用维护人员的工作,由此萌发了编写一本 LED显示屏技术用书的想法，适逢电子科技大学出版社之邀，斗胆动笔草就本书。书中分别就LED显示屏的概况、LED显示器件、图文显示屏、图象显示屏、 视频显示屏等有关技术问题进行了叙述,以期使从事各类LED显示屏工作的读者能够从本书中得到一些有用的材料。 由于LED显示屏是多种综合应用的产品，涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方路及方法还要花较大篇幅进行 介绍，容易冲淡主题。反过来采用集成电路和单片机等简单普及的刻与LED显述硬件又有软件。上述各个领域都自成体系，在本书中无法一一尽述，只能以显示意 直接有关的部分，而不追求各相关技术自身的完成性;二、尽量采用简单普及的方案进不方案，可以追求相关技术的先进性。例如在一些控制电路中,能用常规集成 电路实现,而又面，既示避免各个相关技术“从头说起”的麻烦,从而达到精简内容突出重点的目的。而不行描屏有进行讨论。书中在处理相关领域技术方面采取了 以下两条对策：一、侧重叙述屏为主线,介绍相关技术在LED显示屏中的应用，不采器件的方案。 LED电子显示屏控制原理 （一）系统组成本系统由计算机专用设备、显示屏幕、视频输入端口和系统软件等组成。 ● 计算机及专用设备：计算机及专用设备直接决定了系统的功能，可根据用户对系统的不同要求选择不同的类型。 ●显示屏幕:显示屏的控制电路接收来自计算机的显示信号，驱动LED发光产生画面，并通过增加功放、音箱输出声音。 ● 视频输入端口：提供视频输入端口，信号源可以是录像机、影碟机、摄像机等,支持NTSC、PAL、S_Video等多种制式. ● 系统软件：提供LED播放专用软件,powerpoint或ES98视频播放软件。系统原理图如下: (二）系统功能该系统具备如下功能： ●以计算机为处理控制中心，电子屏幕与电脑显示器(VGA)窗口某一区域逐点对应，显示内容实时同步，屏幕映射位置可调，可方便随意地选择显示画面的大小. ●显示点阵采用超高亮度 LED发光管（红、绿双基），256级灰度,颜变化组合65536种，彩丰富逼真,并支持VGA 24位真彩显示模式。 ● 配备图文信息及三维动画播放软件，可播放高质量的图文信息及三维动画。播放软件显示信息的方式有覆盖、合拢、开帘、彩交替、放大缩小等十多种形式. ● 使用专用节目编辑播放软件,可通过键盘,鼠标、扫描仪等不同的输入手段编辑、增加、删除和修改文字、图形、图像等信息。编排存于控制主机或服务器硬盘,节目播放顺序与时间，实现一体化交替播放,并可相互叠加. ●可以接收显示录像机、影碟机等视频信号。 LED视频显示系统： 系统介绍及特点 1。 模块化设计：电路设计按功能分成不同的模块,每个模块之间只需要极少的联系,极大地提高了系统的稳定性、可靠性。调试难度、维护难度大大降低，可靠性高.所有硬件电路全部选用进口元器件，品质高，可靠性好. 2. 先进的分布式扫描技术：显示部分的扫描采用扫描控制技术，显示部分被分成不同的单元，独立进行扫描。每个单元之间的信号传递采用信号锁存技术进行同步控制。显示的稳定性大大增加。 3。 精心设计的通信接口技术：通信距离可达1000米.可以抗击±15KV的静电放电冲击。RS-422专用设计接口。极大地提高了系统通信的可靠性. 4. 软件设计新颖：WINDOWS风格界面，设计专用软件经验丰富。软件功能强、操作简便.通用显示屏软件具有良好的用户界面，清晰的菜单窗口，用户可以根据需要,任意编排节目,既能播放录像，也能播放动画文字、插播消息等。 电脑显示器分屏 5。 可视性好：产品采用进口LED晶片，构成的显示屏具有高亮度、彩鲜艳、视角大、寿命长(100,000小时)稳定性高、响应速度快等特点。 6. 易于安装：采用显示单元板或显示单元箱体，根据用户要求和应用场所要求任意组装成所需要的显示屏尺寸,并且便于维护. LED电子显示屏系统简介及分类 近年来LED显示屏市场得到了迅猛的发展,已经广泛应用到银行、邮电、税务、机场、车站、证券市场及其它交易市场、医院、电力、海关、体育场等多种需要进行公告、宣传的场合。 目前LED显示屏作为信息传播的一种重要手段，已经成为城市信息现代化建设的标志.随着社会经济的不断进步，以及LED显示技术的不断完善,人们对LED显示屏的认识将会越来越深入，其应用领域将会越来越广。 LED是发光二极管Light Emitting Diode 的英文缩写.LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有如下优点： 1、耗电省、2、使用寿命长、3、成本低、4、亮度高、5、视角大、6、可视距离远、7、规格品种多。 LED显示产品系列 A、单、彩条形显示屏、B、计算机控制数码显示屏、C、单图文显示屏、D、三(红、绿、黄)图文显示屏、E、点阵和数码混合显示屏（证券屏）、F、双基（红、绿)多媒体视频同步显示屏、G、三基（红、绿、蓝）多媒体视频同步显示屏 LED显示屏分类方式按显示颜分为：单红、单绿、红绿双基、 红绿蓝三按使用功能分为：图文显示屏、多媒体视频显示屏、行情显示屏、条形显示屏按使用环境分为:室内显示屏、室外显示屏、半户外显示屏按发光点直径分 为:φ3。0、φ3。7、φ4。8、φ5.0、φ8.0、ph8、ph10、ph16、ph20等。 LED显示屏技术特点 A、效果卓越：采用动态扫描技术，画面稳定，无杂点,图像效果清晰，动画效果生动，多样；视频效果流畅;B、内容丰富：可显示文字、图表、图像、动画、视 频信息；C、方式灵活：可由用户任意编排显示模式；D、质量保证:采用进口发光材料、高品质IC芯片、无噪声大功率电源;E、信息量大：显示的信息不受限 制;F、维修方便：模块化设计，安装,维护方便; 使用环境:LED显示屏按使用环境分为室内LED显示屏和室外LED显示屏。 显示颜：LED显示屏按显示颜分为单基LED显示屏（含伪彩LED显示屏)，双基LED显示屏和全彩(三基）LED显示屏。按灰度级又可分 为16、32、64、128、256级灰度LED显示屏等。 显示性能：LED显示屏按显示性能分为文本LED显示屏、图文LED显示屏,计算机视频LED显示屏,电视视频LED显示屏和行情LED显示屏等。行 情LED显示屏一般包括证券、利率、期货等用途的LED显示屏。 基本发光点非行情类LED显示屏中,室内LED显示屏按采用的LED单点直径可分为Φ3mm、Φ3。75mm、Φ5mm、Φ8mm、和Φ10mm等显示 屏;室外LED显示屏按采用的象素直径可分为Φ16mm、Φ19mm、Φ22mm和Φ26mm等LED显示屏。行情类LED显示屏中按采用的数码管尺寸可 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显示屏。 大屏幕显示屏业绩—-上海市八万人体育场、上海大众汽车公司、上海国际信托投资公司、上海房产交易所、宝山钢铁公司等.大屏幕拼接显示屏系统 一般用户在需要同时观看的信源较少时，适合选择单机大屏幕。但在较为复杂的监控中，如大型邮电通信系统、道路交通管理、能源分配输送、工业控制、110报 警等领域，需全景浏览,统一指挥,就必须选择大屏幕拼接系统。大屏幕拼接系统不再受单机分辨率和亮度的影响，例如一个2×2四个单机的拼接系统，单机分辨 率为1024×768，亮度为500lm，则拼接后的系统分辨率为2048×1536，亮度为2000lm。 拼接系统主要由三部分组成:大屏幕投影墙、投影机阵列、控制系统。其中控制系统是核心，目前世界上流行的拼接控制系统主要有三种类型：硬件拼接系统、 软件拼接系统、软件与硬件相结合的拼接系统。 硬件拼接系统是较早使用的一种拼接方法，可实现的功能有分割、分屏显示、开窗口：即在四屏组成的底图上，用任意一屏显示一个独立的画面。由于采用硬件拼 接，图像处理完全是实时动态显示,安装操作简单；缺点是拼接规模小，只能四屏拼接，扩展很不方便，不适应多屏拼接的需要;所开窗口固定为一个屏幕大小，不 可放大、缩小或移动。 软件拼接系统是用软件来分割图像，采用软件方法拼接图像，可十分灵活的对图像进行特技控制，如在任意位置开窗口；任意放大、缩小；利用鼠标即可对所开的窗 口任意拖动，在控制台上控制屏幕墙，如同控制自己的显示器一样方便。 软件与硬件相结合的拼接系统,可综合以上两种方法的优点,克服其缺点。这种系统可以实用显示多个RGB模拟信号及XWindow的动态图形,是为多通道现 场即时显示专门设计的。通过硬件和软件以及控制/舆接口，来实现不同窗口的动态显示。它透明度高：图像叠加透明显示,共有256级透明度，令动态图像和背 景活灵活现。并联扩展性极好：系统采用并联框结构，最多可控制上千个投影机同时工作。 投影显示墙的比较 CRT LCD DLP 目前国际上流行产品的尺寸（对角线/英寸） 41、44、51 72、84、100、120、150 50、60、67 光源 7英寸投影管灯泡，灯泡 一般使用寿命(小时） 大于10000 1000--6000（UHP） 8000—-10000（UHP） 物理接缝（gap between screen) ＜0.8mm ＜0。8mm ＜0.8mm 光学接缝（gap between image) 1mm 1mm 0。8mm 使用的单元数增加会增加对控制系统的要求，因此会增加造价 其他 必须增加蠕动功能，否则会产生burning效应 无此要求 颜(相对） 还原性最好 最差 介于两者之间 亮度 最低(7英寸170ANSI流明) 较高（600ANSI流明以上） 较高（600ANSI流明以上） 会聚 要进行会聚调试 单元分辨率 640＊480/800＊600 800＊600/1024＊768/1280x1024 800*600/1024＊768/1280x1024 亮度均匀性 >75％ 〉85% >85％ 使用场合 视频显示最佳 计算机图文 计算机图文/视频 维护 可能进行会聚和颜调整，更换投影管 只要更换灯泡时进行颜和亮度调整 只要更换灯泡时进行颜和亮度调整 单屏： （镶墙式、箱体式） 组成:单屏大屏幕一般由投影机、背投屏幕、金属结构、光学反射系统及散热系统组成。 功能:主要用于动态视频图像及计算机图像的显示，就如一台超大的显示器或电视机。 优点:造价低,屏幕尺寸较灵活，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）,无拼接缝。 缺点：屏幕尺寸越大，要求背投空间越大 灯泡寿命短（约1000—6000小时） 不能连续24小时工作(若必须7/24连续工作，需选择专业控制室投影机,造价高) 拼接投影墙(大尺寸拼接） 由多台投影机，多个屏幕，矩阵及图像处理器构成，一般用于高分辨率，超大屏幕以及多画面显示. 单元屏幕尺寸一般有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)，投影机一般选用LCD或DLP投影机、屏幕可选择进口光学透镜屏或国 产散射屏。 优点： 1)显示面积巨大，造价较低。 2)单元屏幕尺寸，控制较灵活,可方便控制显示面积。 缺点：1)单元屏幕尺寸越大，所需背投空间越大。 2）由于多块屏幕拼接在一起就会有亮度,颜的差异，需要挑选投影机及对投影机镜头与光学透镜屏的光焦匹配，尽可能做到单屏中心亮度与4角亮度均匀，多块 屏幕亮度与颜一致. 3)灯泡寿命短，约1000—6000小时，与所选投影机有关。 4)不能连续24小时工作（若必须7/24连续工作，需选择专业控制室投影机，造价高). 工程技术 (1）采用进口LED优质管芯制作全彩显示屏：具有视角大、功耗小、彩均匀一致、屏厚超薄、屏体重量轻、故障率低、易维护等优势. （2）采用PCTV卡：该卡是一块性能卓越的集显示、采集、视频捕获等功能的多媒体显示卡,该卡附有一个Studio编辑软件。Studio是 Pinnacle Systems公司的一个备受赞誉的软件，其与现有通用普通多媒体卡相比较它有如下优势： ①使用户能够在自己的PC机上制作数字电影、捕获视频、编辑和添加风格化的标题、转换，甚至自己的乐曲以及数字视频制作的叙述。 ②Studio可以让用户选择以MPEG或者AVI文件的格式输出视频并且存储到CD盘上,或者在Web站点上展示，或者创建视频。由于 Studio可以和Pinnacle Systems公司的一系列的捕获装置进行工作，视频捕获变得前所没有的轻而易举。 ③Studio的应用软件象一个VCR有从容易到用着好、更好、最好的质量形式,并且计算计算机能存储多少视频.Studio自动发现和记录场景变化，使编辑变的轻而易举. ④使用Studio来创作是一个快速的和交互的过程。使用即时预览视窗可以在编辑的任何时候预览电影，即所看即所得。 ⑤如果不喜欢标题或者效果，可以做一个改变并且可以立即看到这种改变，视频编辑从来没有象这样快速和有趣。够自由、够个性化，还具有背景音乐、画外音等效 果。 （3）采用最新DVI 接口技术： DVI接口（Digital Visual Interface）是PC机与数字式平板显示器(包括）接口的工业标准，众所周知，计算机是数字式的，即它所处理的信息全是数字量，但是迄今用得最广泛 的CRT显示器（如电视机）是模拟式的。因此在将计算机处理好的数据送往显示器显示之前，必须做一个数/模转换（D/A)，这种处理造成了信息的损失和显 示效果的缺陷。LCD、PDP、HDTV等新一代显示器本身就是数字式的，用传统的方式,计算机图形卡的输出（模拟量)还要再经过模数转换（A/D)才能 送往显示器，这又造成新的损失和麻烦.采用DVI接口，开发的LED显示系统可直接从PC机的DVI接口取数，不需要银河卡之类的专用显卡，也不需要特殊 的采集卡,可不受PC机的限制，由于没有D/A和MD转换过程，避免了图像细节的丢失,从而保证了计算机图像在显示屏中的完美再现。同时由于DVI是工业 标准所以虽然带宽高达83MHZ，也能很好地工作。现在DVI可支持VGA（640×480）到HDTV（1920×1080)和 QXGA（2048×1536）的所有显示模式。除此以外采用DVI接口,开发的LED显示系统，在获得稳定可靠的显示数据的基础上，还能将许多重要的功 能集成在一起，例如：①无数据损失 ②不受到PC机限制 ③方便升级一般显示卡内存为8M，而该卡内存为128—256M④窗口位置和大小的调整；⑤帧频高达60HZ;⑥非线性调整输出，更适合人眼观 看；⑦100级屏体亮度控制；⑧恒流驱动;⑨单元板红、绿、蓝三亮度分别可调，消除马赛克。 （4)采用室内全彩系统：该芯片除了完成显示数据的分配任务之外，其特性是将接收的8位（8 bit）显示数据转换成12位的PWM输出脉冲,使显示屏实现4096（12bit）级灰度控制保证非线性256级视觉灰度的实现,达到全真彩的视觉效 果，能在根本上解决了数字显示系统由于数据传输量过大造成的系统复杂.具有如下特点： ①简单性 由于系统最为复杂的数据转换部分都以芯片内部逻辑的形式实现,使系统变得非常简单。 ②易维护性 与简单性直接相关的是系统的易维护性,由于免去了复杂的控制部分，系统维护变成了一项由初级技术人员就可以完成的工作，这既降低了总体维护成本、又提高了用户满意度. ③高可靠性 系统控制部分的简单进一步带来了系统的高可靠性，这也主要是因为集成芯片技术相比于分离器件技术具有数倍的稳定性. ④高性价比 系统以最可靠的性能实现屏幕基4096级灰度的控制，图象显示逼真、自然，实现同等显示控制效果。 ⑤单元化、结构化设计 与目前行业的发展方向相一致,大型显示屏系统在屏体结构上采用单元化设计，系统连线直观简便,不但保证了显示屏体的大小可以根据需要拼接调整，而且使系统 的安装、调试与维护变得极为简便，从而最大程度地降低显示屏系统的不可见故障率。⑥工业化可靠性设计 系统采用单元化设计，取代了传统设计中大量的分离器件，使系统的可靠性与稳定性大幅度提高. ⑦全套方案组成 系统包含数据源、传输设备、数据处理、数据分配及软件管理工具等，使LED显示屏的建设变为简单标准化。该技术在实际应用过程不断得到发展与完善,已经成为一套最为成熟、稳定、便于实施的系统方案. ⑧等同CRT的显示效果 LED显示屏最为核心的性能指标是对每一基（红、绿、兰)所实现的灰度即亮度等级，目前国际的显示标准是要求每一基达到视觉的256级灰度.专用灰度 控制芯片内置的处理逻辑可以输出达到4096级的灰度，并从中选取与CRT显示器相拟合的256级灰度输出，使整体图像效果更加清晰、逼真，富有感染力。 ⑨高解析度和高刷新频率 除了灰度等级之外,显示屏的另外两个性能指标是其解析度和刷新频率。由于LED显示屏本身的特点和要求,传统的解决方案往往要以丧失其中的一项或两项标准 作为另一项指标提高的代价。由于芯片每个管脚的每秒数据输出量达到1兆，远远超过了传统方案的数据输出能力，从而使该问题在根本上得到解决。本全彩系统可 以在同时支持1024×768的屏幕解析度和高达300Hz的屏幕刷新频率，远远超过了传统解决方案的性能指标，使显示画面稳定、无闪烁、无拖尾。 （5）采用恒流驱动:该电路技术成熟运行可靠,已经在全彩显示屏上广泛的运用，性能价格比高，为目前众多公司常用的恒流驱动芯片,较好解决LED管压降离散性之缺陷且性能良好，消除马赛克。 （6)光纤传输,不衰减的光纤传输技术： ①光纤传输频带宽，通信容量大. 光纤可利用的带宽约为1。25G,频带宽，提高了扫描频率和刷新频率，本公司设计的LED全彩屏幕刷新频率≥200Hz/s。 ② 光纤传输损耗低，中继距离长。其最大中继距离则可达15000米，提高了可靠性和稳定性. ③ 光纤传输抗电磁干扰。 光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰。 ④光纤线径细、重量轻、柔软。光纤的芯径很细，约为0.1mm，它只有单管同轴电缆的百分之一；光缆的直径也很小，8芯光缆的横截面直径约为10mm，而标准同轴电缆为47mm。利用光纤这一特点,使传输系统所占空间小。使施工布线方便快捷。 ⑤光纤传输除具有以上突出的优点外，还具有耐腐蚀力强、抗核幅射、能源消耗小等优点。 |
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