LED显示屏系统原理及工程技术

前 言

    导读：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、色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。

    本主题首先介绍了LED显示屏的发展与应用概况。

    在第一章中叙述了LED显示器件的基本工作原理及特性，详细介绍了LED点阵显示屏的具体电路和参数。

    第二章针对广泛应用的图文显示屏，在介绍它的基本组成之后，对各部分LED显示屏电路进行了深入的分析，并给出了完整实用的硬件电路图和全部汇编语言程序清单。

    第三章的内容是图象显示屏，侧重分析了LED显示屏的灰度控制方法，并介绍了集成电路TLC5902的特性及应用。

    第四章讨论了当时最先进的视频显示屏，就视频信号源的组织、视频LED显示屏的结构、主要集成电路芯片，以及配套的应用软件等，分别介绍了ZQL9701、DS90C031等芯片的技术特性和LEDSHOW、&ldquo；LED管理工具&rdquo等软件的使用方法。书后还附有我国LED的行业标准。本书可供从事各类LED显示屏工作的工程技术人员参考，也可作为大专院校有关专业的教书参考书或教材。

    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、色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显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）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色视频显示的水平，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色的表现，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、绿双基色)，256级灰度，颜色变化组合65536种，色彩丰富逼真，并支持VGA 24位真彩色显示模式。 ● 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、色彩交替、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

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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。

    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、色彩鲜艳、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、单色、彩色条形显示屏、B、计算机控制数码显示屏、C、单色图文显示屏、D、三色（红、绿、黄）图文显示屏、E、点阵和数码混合显示屏（证券屏）、F、双基色（红、绿）多媒体视频同步显示屏、G、三基色（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色分为：单红色、单绿色、红绿双基色、 红绿蓝三色按使用功能分为：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。 显示颜色：LED显示屏按显示颜色分为单基色LED显示屏（含伪彩色LED显示屏），双基色LED显示屏和全彩色（三基色）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 颜色（相对） 色还原性最好 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 可能进行会聚和颜色调整，更换投影管 只要更换灯泡时进行颜色和亮度调整 只要更换灯泡时进行颜色和亮度调整 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，颜色的差异，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，多块屏幕亮度与颜色一致。 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)。