LED显示屏集成控制技术的发展与应用

文元美罗丽聂新明刘桂雄

（1.广东工业大学 信息工程学院 2.华南理工大学 机械与汽车工程学院）

LED显示屏集成控制技术的发展与应用

文元美1,2罗丽1聂新明1刘桂雄2

（1.广东工业大学 信息工程学院 2.华南理工大学 机械与汽车工程学院）

在分析LED显示屏应用需求的基础上，简要介绍LED显示屏的工作原理，重点分析LED显示屏集成控制技术发展的驱动型控制、总线型控制以及网络化控制三个阶段，通过对其分析比较，结合LED显示屏发展需求以及物联网技术发展，指出物联网化是LED显示屏集成控制技术的重要发展趋势，并提出物联网下LED显示屏集成系统架构模式。

LED显示屏；集成控制；物联网

1 引言

LED显示屏是由发光二极管灯珠构成模组屏体，配以相应控制驱动电路的平面式显示屏幕，具有省电、寿命长、亮度高、视角大、可视距离远、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，LED显示屏在国外得到了广泛的应用。我国进入90年代后，在公众场合发布信息的需求日益增加，促使LED显示屏的设计制造技术与应用水平都得到了快速提升。

LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏到图像显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在器件的性能和系统的组成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。我国LED显示屏的发展基本上与世界水平同步，已经形成了一个具有相当发展潜力的产业[1]。本文在分析LED显示屏应用需求的基础上，回顾其控制技术发展历程，分析指出物联网化是LED显示屏集成控制技术发展的重要趋势。

2 LED显示屏应用需求

LED显示屏作为现代信息发布重要媒介之一，在证券交易、金融、交通、体育、广告等领域的信息发布中有广泛需求。

在监测和探测领域中，Analatom公司2007年开发了一种结构监测系统（SHM），它将MEMS传感器安装在建筑物、桥梁或飞机上，通过无线自组网络将采集的数据传输到LED显示屏，实现监测信息数据存储的实时分析、智能化显示[2]；2010年美国麻省理工媒体实验室设计一个高度灵活的徽章系统，通过无线红外线和无线网络收集用于分类和预测个人或组织行为的数据，配备大型LED显示屏，对数据进行跟踪分析，为社会活动互动带来便利[3]。

在城市信息显示系统中，LED大屏幕显示技术已被广泛植入，通过城市控制中心管理控制，进行LED信息远程发布[4]。北京2007年建成规模最大的交通诱导信息室外显示屏发布系统，图1为安装在奥林匹克公园东门外的LED诱导信息显示屏。控制中心根据多种实时数据源自动计算生成实时路况信息，以文字和图形方式发送到室外诱导屏上，各种宣传、管制、提示信息以及突发事件信息则通过人工编辑的方式生成[5,6]。

图1 LED诱导信息显示屏

在动态视频显示中，2010年伊朗Shahid Beheshti大学Siavash Khodambashi等依据单色图像和视频动画的帧差异和存储特性，通过XC3S50装置来处理和控制LED显示，系统配置灵活，扩展方便[7]；中国科学院丁铁夫等将PC端DVI接口输出的视频信号，转换为适合远距离传输的以太网帧格式，在接收端进行帧解码和信号还原，通过设计以太网光纤转换模块，达到LED显示屏远距离传输的需求[8]。

除此之外，越来越多的LED显示屏被安装在异性模组上，2008年日本Sato.Munehiko等设计了一个可安装在表面非平面场合上的LED显示集成系统，接收来自摄像头或PC机的信息，再通过无线方式将信息传输并映射到LED显示屏[9]；文献[10]依据市场需求提出了开发各种异型LED显示屏的方案，薄或超薄显示屏适用于建筑物外表面装饰，柔性异型框体结构技术适用于远距离观看大面积显示屏。随着显示屏规模大型化、与表面结构复杂建筑物一体化，点状、线状、面状以及异形阵列LED显示屏或一定区域内分散LED显示屏必须采用集成化方式进行同步测控，集成化是LED显示屏重要发展趋势。

3 LED显示屏集成控制技术发展

LED显示屏是由发光二极管点阵模块或像素单元构成的模组屏体，包括显示模块、控制系统及电源系统等组成部分，图2为LED显示屏结构原理框图。其中显示模块由LED灯珠组成的模组构成，实现发光显示；控制系统接收来自微机或处理器的显示信号，驱动LED发光让屏幕显示文字、图片、视频等内容；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

LED显示屏控制系统是LED显示屏的核心，LED显示屏系统的发展最初从驱动型控制系统开始，它通过LED串行移位控制器以及低压/高压型 LED控制器，实现LED灯光简单的亮、灭及模组数字和简易文字显示。

从上个世纪90年代以来，随着LED材料、现场总线控制技术的发展，LED显示系统出现了多样化的控制方式，典型代表有：以级联方式进行控制的串行SPI系统、联网控制方式RS485控制系统（系统框图如图3所示）以及DMX512控制系统。图3中，PC控制站和多个8031单片机通过一个RS485工业现场网络连接，显示信息由PC机多媒体编辑软件编辑完成后传送给8031单片机，8031单片机作为控制器件，保证LED控制扳上各部分的有序工作，使LED多媒体显示屏实现图像、字符显示，完成对RS485输入点阵信息存储及显示等功能[11]。

图2 LED显示屏结构原理图

图3 RS485总线控制LED显示系统总框图

可以发现，这些总线控制技术基本能实现单体或小区域LED显示系统的信息显示功能，但都存在一些缺点。如DMX512控制系统对每个模组都要求有控制器，设置地址麻烦，异步传输复杂；串行SPI控制系统以级联方式控制LED显示屏，发生故障时，不易维护；应用RS485总线控制应用层协议在各厂家之间标准未达到统一，兼容性较差。故在大范围内应用这类技术，存在工程安装维护过程困难、成本高、传输距离短以及显示屏数量规模受到限制等缺点。

基于TCP/IP网络的LED网络控制技术随后得到迅速发展，图4为其系统原理框图。系统由多个控制器NLC协同工作，每个控制器有不同的IP地址，并且控制相应的显示屏幕，多个控制器通过网络集线器HUB和 PC机相连，控制器负责接收PC机发送的网络数据及进行处理，并发送到LED显示屏上。

有文献报道[12]基于TCP/IP的LED控制卡NetMO，能实现LED控制同步、异步二合一，每块NetMO控制卡可设置独立IP地址、视频服务IP地址和接受端口，可将其视为标准网络终端进行操作。用TCP／IP传输控制协议能使LED显示系统控制质量、可靠性有一定程度提高，双向通信使设备远程监测、控制有效性加强，但存在信息传输途径单一，系统实现功能有限，操作繁琐等问题。

从1999年美国麻省理工大学MIT提出物联网概念以后，物联网已经引起世界各国的广泛关注和高度重视，并在智能电网、智能汽车、医疗健康、智能家居等多个应用领域投入使用。2009年美国总统奥巴马上任后，提出美国政府将参与投资物联网智慧型基础设施等新兴技术产业，将以传感器网络应用为核心的“智慧地球”计划上升至国家战略层面，是美国21世纪保持和夺回竞争优势的手段。2010年中国国家主席胡锦涛在两院院士大会上也提出“要积极发展智能宽带无线网络、先进传感和显示、先进可靠软件技术，建设由传感网络、通信设施、网络超算、智能软件技术构成的智能基础设施”[13]。

图4 基于TCP／IP的LED网络控制系统原理框图

物联网(Internet of Things，IOT)是把传感器、传感器网络技术、RFID技术、通信网与互联网技术、智能运算技术等融为一体，实现全面感知、可靠传送、智能处理为特征的，连接人和物理世界的网络[14,15]。随着物联网时代的到来，物联网技术得到了包括中国在内的各国的重视，中国也提出要建设中国的信息高速基础设施。显然在信息时代，未来的世界将是物联网的世界，未来LED显示屏就是物联网的一个终端。智能化网络集成控制、联网集成控制多屏技术将成为主流，图5为笔者提出的物联网模式下LED显示集成系统原理图。利用Internet、3G无线网络、地理信息系统等技术将不同区域内离散的LED显示系统相互连接起来建立平台，由控制中心对分布的各个子系统实现实时监测、同步控制，促使整个控制区域显示系统显示信息时能实时按需分配。

图5 物联网模式下的LED显示系统原理框图

LED显示屏已成为各类场合向公众发布信息的主要显示设备，随着显示信息的公开化、透明化以及行业之间的商业竞争，将会带来新的安全威胁，显示内容可能被恶意修改或者屏蔽，容易造成个人隐私、商业机密以及政府基础设施信息的泄露或者更改，显示终端的安全可信问题成为物联网模式下LED显示集成平台必须解决的基本问题。

4 结论

① 伴随着城市个性化需求以及LED显示屏规模的扩大，必须将一定区域内不同信息格式、控制方式和分散的LED显示屏通过标准化信息接口集成起来，集成化是LED显示屏技术重要发展趋势。

② 随着显示屏规模大型化、与表面结构复杂建筑物一体化，点状、线状、面状以及异形阵列LED显示屏或一定区域内分散LED显示屏必须采用有线、无线方式集成化同步测控，物联网化是LED显示屏重要发展趋势。

③ 由于LED屏显示内容可信程度具有重大政治、社会影响力，而可信又是制约物联网应用的瓶颈，因此物联网化LED显示屏集成平台可信度是LED显示屏技术发展与应用中面临着的关键问题。

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The Development and Application of LED Display Integrated Technology

WenYuanmei1,2Luo li1Nie Xinming1Liu Guixiong2

(1. School of Information Engineering, Guangdong University of Technology 2. School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology )

This paper gives a brief introduction of Led display and three stages in the integrated control technology of LED display, which are development-driven control, bus control and network control. Through the analysis and comparison of the three stages, combining the developing requirement of LED display with the development of the Internet of Things, it is pointed out that Internet of Things is an important trend of LED display integrated control technology. An integrated system architecture mode of LED display based on Internet of Things is proposed.

LED Display; Integrated Control; Internet of Things

文元美，女，1968年生，博士后，副教授，研究方向：机电一体化技术及装备。