LED全彩显示大屏系统方案

张文旭

(无锡广播电视集团,江苏　无锡　214061)



LED全彩显示大屏系统方案

张文旭

(无锡广播电视集团,江苏无锡214061)

随着科技事业的快速发展，LED全彩显示大屏的应用几乎涉及人们公共活动的所有领域，现已成为推动社会前进的新动力。该文结合无锡广电传媒中心的具体案例，就其系统架构、功能、原理以及需要达到的性能指标进行剖析，并给出了实现这些指标的具体措施。

LED; 全彩显示; 大屏

LED全彩显示大屏系统是集通信、视频、光电子、微电子、数字处理和计算机控制等多种高科技技术于一体的现代平面显示设备。它具有亮度高、视角广、响应速度快、不闪烁、画面流畅、显示方式多样,且组态灵活、故障率低、使用寿命长、功耗少、节能环保等优点。现已广泛应用于国防科研、城建规划、医疗卫生、交通运输、体育赛事、影视娱乐、广告媒体、金融、贸易、电信等诸多领域，并有不断扩展之势，这给相关行业的繁荣提供了良好的发展契机，必将成为经济增长的新亮点。随着科技事业的快速发展，LED全彩显示大屏的应用几乎涉及到人们公共活动的所有领域，现已成为推动社会前进的新动力。该文结合无锡广电传媒中心的具体案例，就其系统架构、功能、原理以及需要达到的性能指标来进行剖析，并给出了实现这些指标的具体措施。

1　LED全彩显示大屏系统的架构与功能

LED全彩显示大屏系统是由多种相关软件和主控PC机、LED数字发送卡、LED接收卡、LED全彩显示大屏以及其他配套电路等共同构成。其具体分为编辑、控制和显示三个分系统。利用光纤的强大传输和通信功能，实现文字、图像等画面实时而流畅的显示。安装完工后的LED全彩显示大屏效果如图1所示：

图1　安装完工后的效果图

1.1编辑分系统主要有节目制作、编辑、播放控制等软件构成

其功能是完成节目的整理、设计和编排，并将编排好的节目内容传入控制分系统。其中节目软件的功能是输入原始资料数据并加工成型。编辑软件的功能是将节目软件成型的程序按照主题思想编辑成具有强力吸引力的节目。控制软件的功能是将编辑软件编辑好的程序结合控制分系统功能按要求控制大屏幕的有序显示。

1.2控制分系统由主控PC机、多媒体卡和LED控制器等组成

主要功能是显示数据的编辑、处理与分配，控制显示大屏的显示。

1.3显示分系统是由扫描板、视频处理器、动态图像数据分配板和LED发光器件组成的可控显示板等共同构成

其中，可控显示板，即全彩显示大屏幕是由M行N列像素和对应的驱动单元及配套电路等共同构成的模块，根据实际需求大小，采用搭积木的方式拼接并固定在框架上形成现代平面显示大屏幕。其功能是在控制分系统的控制下，把编辑成型的节目数据有序地在大屏幕上向人们显示多彩的画面。系统结构如图2所示。

2　LED全彩显示大屏系统的相关原理

2.1LED显示屏设计原理

LED显示屏是提供给人们观看的媒介，它与光学特性和人眼特性之间存在着必然的内在联系。因此LED显示屏的设计是根据客观存在的光学原理和人眼对外界物体光刺激的感知特性，通过对人眼的构造和人眼各部位的功能与特性分析，破解了人眼感知外界物景的生理原理，然后根据人眼的生理感知光源的原理进行设计。对于人眼的构造、感知特性与原理是一个复杂的系统，在此不再详述。

图2　系统结构

2.2LED的基本原理

LED是由PN结—芯片，阴阳两极引脚和环氧树脂外壳等组成。其中，关键部件是注入复合发光功能的PN结。而注入的具有发光特性的物质是由磷、镓、砷、铝、氮等在特定条件下能自动发光的物质元素，按一定比例进行多形式配伍复合而成，因此，PN结在正向电压作用下能发光。但不同复合型材料制成的PN结发出光的亮度和颜色是不同的。LED具有单向导电特性，正向导通反向截止，即具有整流性特性的二极管。与普通二极管相比，不同之处是它在外界正向电压向LED芯片注入电子时，电子在PN结处与空穴复合放出能量，多余的能量就以光的形式散发出来。因此，LED是一种“电致发光”器件。同时，它与通过的电流量及导通时间成正比，按照通过电流量的大小和导通时间的长短发出不同波长的光，通过的电流量(在一定电流值范围内)越大或导通时间越长，LED越亮，反之越暗。不管LED外观构造如何变化，但LED芯片结构和发光原理与特性不会改变。

2.3LED显示屏的工作原理

由于LED是一种“电致发光”器件，其主要工作原理是通过控制LED点阵模块中各个LED的电流通断方式，使组成这些文字或图像的各个点所在位置相对应的LED点亮或熄灭。

对于只需控制电流通断的LED显示屏，每个LED都是整个数据中的一个位(bit)，在某个需要发光的LED的相应位置填“1”或“0”，依照需求逐行、逐列、逐点填写显示数据，形成显示文件，就能获得所需的显示图像。

由于LED的发光程度与通过PN结的电流量及导通时间成正比，因此，可以利用这一特性，采取按一定步长调节LED的正向电流量和控制导通时间的方式可获得不同的灰度级。同时，LED又具有快速响应的特性，最高可达数十赫兹，因此，采用脉冲法能驱动LED发光，只要通过调节脉冲的占空比就能得到不同的灰度级。三者配合运用就可达到调节LED的整屏亮度。

LED全彩显示屏(All Colored Panel)是由许多像素(LED发光器件)组成的。每个像素点必须至少由分别为红、绿、蓝(RGB)三种基色调的LED(能发光的二极管)。利用空间调色原理，按一定规律排列在一起做成一个像素点。这种像素组合，控制时，对应于每种颜色都有自己的显示矩阵。各种颜色的显示点阵都是分开控制的，通过事先设置的各种颜色的显示数据，在显示时分别送到各自的显示点阵，就可获得预期效果。同时，通过分别对三种基色的发光亮度进行高频率转换，就可获得16777216种颜色。当视频数据通过数字化、逐行化及倍频化后使之适应于LED显示屏的分辨率，这样就能在屏幕上显示一帧多彩的视频图像。

3　LED全彩显示大屏系统性能指标和指标实现的具体措施

3.1亮度

亮度是指LED显示屏显示全白时整体亮度的测试值。指标分别为室内屏表面发光亮度不低于1 000 lux/m2；室外屏表面发光亮度不低于3 000 lux/m2。

实现这种亮度指标，可从与亮度有关的因素进行考虑。亮度与制成PN结—芯片的材料、像素点密度、通过PN结的正向电流量、导通时间以及LED直径有关，因此可从四个方面入手。① 选用发光性能较强的复合材料制成PN结的LED。由于不同材料制造出来的芯片发光强度是不同的，因此，采取选优取用的方法不失为一条提高LED亮度的有效途径。② 增加单位面积内像素点的数量。一方面增加像素点的数量本身能提高亮度；另一方面，单位面积内像素的增加，促进了密度的提高，点间距缩小，不发光区便会消失。但并否无限增加越密越好。因为LED的像素点在单位面积内越多，电路板上的布线及其他配置越多，结构越复杂，这样既会提高投入成本，又会增加电路板的制作难度。对于全彩显示大屏幕而言，单位面积内像素点应达到1920*1080个。③ 增大单位时间内电流量(一定值范围内)的平均值来提高整屏亮度。但当电流量达到一定值后进入饱和区，在饱和区内增加电流量，显示屏亮度不会增加，而只会导致功耗增加，甚至LED会被烧毁。④ 增大LED的直径，但这只适用于室外，而不适应于室内。

3.2分辨率

分辨率是指图形显示的清晰程度。因为它与像素点的密度有关，因此，通常把显示屏矩形显示区域内行数乘以列数的形式加以表示，以行列数的多少作为衡量分辨率高低的标准。行列数越多，像素点越密，像素点点间不发光区越小或消除，颗数感越不显现或消失，图像越清晰。当像素点达到1920*1080时，颗粒感就会完全消失，这种密度的像素点显示称为高清显示。提高分辨率的措施是在印制电路板时，增加行列密度，促使像素点增加。

3.3刷新率

刷新率是指闪烁的频率。对于高清显示屏的刷新率要达到780帧以上，即120 Hz，以支持实时动画、视频显示，确保画面亮度高、不闪烁、不停顿，使画面流畅。实现这一指标的措施是采用控制软件事先设置的频率控制参数来实现。

3.4灰度级

灰度级是指显示屏能变换显示颜色的种类数量。全彩显示屏幕的灰度级要达到256*256*256级。即每个像素点的三个分别为红、绿、蓝像素各自发光的等级差别数量都要达到256级。灰度级越高，显示图像越鲜艳、细腻。灰度级的需求指标可通过电压法、幅值法、帧灰度法、空间法、脉宽调制法和子场法等调控方式加以实现，一般采用通过改变影响发光时间长短的电流脉冲宽度占空比法就可选择不同的灰度级。

3.5对比度

对比度是指显示屏全白与全黑时亮度的比值。对比度越高，显示效果越清晰、透彻，对于LED显示屏而言，LED通电即亮，断电即熄，比液晶显示屏的对比度要高得多，无须也无法额外提高。

3.6可视度

可视度是指以显示画面的垂直法线为基准，在法线左右两旁能观看正常画面的最大夹角的度数。可视角越大，可正常观看的范围越大，既能扩大观看者观看位置的随意性，又能增加正常观看人数的总量。可视角的大小取决于整屏的亮度和亮度分布，因此，提高可视角度数的措施可从这两个方面入手。对于如何提高LED的整屏亮度，已在3.1中表述清楚，不再重复。对于亮度的分布问题，一是通过改进LED的封装设计与工艺，加大水平方向的视角，缩小垂直方向的视角；二是在封装材料中加入一定量的散色剂可使视角增大。但这一措施，只适用于室内显示屏，而不适用于室外显示屏。因为，室外要受到紫外线和气候的影响，散色剂的透明度会下降，导致亮度下降，并会影响到显示屏的使用寿命。

3.7响应率

响应率是指各像素对输入信号产生反应所需的时间速度。响应率越快，反应时间越短，图像越实时逼真；响应率若慢，则在播放快速切换画面时，会产生显示拖影现象而影响视觉感受。对于LED而言不存在着响应速度问题，因为LED通电即亮、断电即熄，其亮熄速度为纳秒级。关键是要解决信号的传输速度问题，这可以采用光纤传输信号。当然与屏幕电路板中的接线、其他配件及工艺的质量密不可分。换言之，除需解决信息传输线路问题外，还需提高电路板的整体质量。

3.8整屏亮度与色度的一致性

整屏亮度与色度的一致性是指整个屏幕上不能出现某一部分特别亮或特别暗的马赛克、花屏现象。出现这种现象的主要原因是制造工艺造成的各LED光电参数的不一致性(差异性)。解决这种花屏现象的措施是选用同一厂家、同一批次的LED，并且出厂前厂家必须采用专业的分光分色机进行分类筛选。

3.9失控比

失控比是指LED失去控制(即不亮的LED)的数量与整屏LED总数的比例。室内屏失控比应小于万分之三，室外屏失控比应小于万分之二。这可以通过提高LED自身质量和安装LED时的接线质量来加以实现。

3.10环境抵御力

环境抵御力是指显示屏对显示环境的温度、湿度及灰尘、雨水的抵御能力。在温度方面，室内屏应能在40 ℃以内、室外屏应能在50 ℃以内正常显示；湿度方面，应能在百分之九十的相对湿度下正常工作；室外屏还应符合于IP标准的各等级防尘、防水要求。应对温度的关键是解决散热问题，可在印制电路板(PCB)各元器件布局时，对发热量较大的器件预留出足够的散热空间。对于解决防湿、防水、防尘要求的措施是：LED大屏幕的显示单元模块采用封闭式的单元箱体结构，并采用双组份常温固化环氧灌封料对电路板表面及电路板之间、电路板与单元箱体之间所有缝隙和LED下部2/3灌注绝缘层，使整个LED显示大屏只有显示单元正面(LED发光面)与外界环境接触，最大限度地将整个电路板和LED发光管与外界环境隔绝，使之提高防湿、防水、防尘性能。并可大幅提高电子器件的整体性，增强对外来冲击、震动的抵御能力，提高元件、电路之间的绝缘性能。

3.11可靠性

可靠性是指显示屏整体质量的可靠性，即LED各显示单元的平均无故障工作时间。指标应不低于100 000 h。要确保和提高LED显示大屏的可能性，除采取3.10中所述的各种措施外，还需依赖于各元器件的材质保证和各道工艺都能做到精益求精，使各元器件和组装质量都达到高水准予以保障。

4　其他功能与技术要求

要实现上述各项性能指标，除已给出的相应具体措施外，还需满足于下列功能与技术要求。

4.1前期节目制作使用的拍摄设备必须具有自动调节色温的功能

这种色温是指通过发射体发射谱形状和最佳拟合的黑体发射谱形状较为确定的温度。只有当这种色温和拍摄厅内灯光的色温相同，才能在拍摄过程中获得理想的色彩再现。因此，LED显示系统的拍摄设备必须具有自动调节色温的功能，使之能在3 200 K～9 000 K之间渐变。

4.2数据信号传输

数据信号传输速度要达到最高能支持1920*1080分辨率的要求，并在确保传输数据信号可靠的前提下，最大传输距离要能达到1 000 m，实现RGB全彩显示大屏的远距离控制。

对于解决数据传输速度问题的措施在3.7响应率中已作过说明，不再复述。关于影响数据信号传输可靠性的主要原因是电磁干扰，如何解决这一问题的具体措施将在4.3中予以阐明。

4.3要实现电磁具有兼容性

电磁兼容性是指相关电路都不受相邻电磁波干扰。整个系统需要解决的电磁干扰主要包括两个方面，一是电路板，二是电源线。

4.3.1电路板的电磁兼容性要达到工业级标准，具有很好的抗干扰能力实现这种目标的具体措施是在实施电路板各器件布局及排线等等相应工艺时采用接地、屏蔽、滤波、正确选择无源器件和电路技术等方法予以实现。对于这些措施的具体操作，在此不作详解。

4.3.2要解决电源线电磁干扰问题解决电源线电磁干扰的具体措施，一是采取就地取源的原则，尽量缩短电源线长度。二是布线时将电源线与数据线分开走，单独放置于专用的线槽或线管内。若只能在同一桥架中走线，则两线之间至少保持30 mm以上间距并以金属隔板分隔，避免电源线对数据线的干扰。

4.4LED发送卡、接收卡

LED发送卡、接收卡要方便于工作人员现场安装及调试；LED发送卡应提供PCI接头，以便于集成于PC机内部。

5　LED显示系统前景展望

由于LED具有节能环保和应用范围广泛的特性，因此，我国早已将LED作为“31项国家鼓励发

展的电子产品”之一和“20种鼓励外商投资的电子产品和技术”之一，重点予以发展。经过十多年的不懈努力，我国在该领域已取得了令人刮目相看的丰硕成果。尤其是LED全彩显示大屏系统发展至今已显示出来的众多性能优势，可谓LED系列产品中一枝独秀的瑰丽奇葩，能为使用单位提高工作效率，因此现已广泛应用于诸多领域。坚信随着国家对LED产业扶持政策的不断持续，加上应用领域的不断扩展，甚至会普及到人们公共活动的所有场所。因而LED显示系统的发展和相关技术革新必将迎来前所未有的契机和美好前景。

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责任编辑俞林

LED all colour display big telescreen system project

ZHANGWenxu

(Wuxi Broadcasting and Television Group, Wuxi 214061, China)

With the rapid development of science and technology,the application of LED all colour display big telescreen has been widely used in all the fields of public activites. Now, it has become the new power of promoting society forward. Based on the specific case in Wuxi Broadcasting and TV media center, the paper analyses architecture, function and performance indexes. Furthermore, it proposes the specific measures for realizing these targets.

LED; all colour display; big telescreen

2015-12-20

张文旭(1966—)，男，湖北武汉人，工程师, 研究方向：智能楼宇技术。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.02.012

O 432.2

A

1671-7880(2016)02-0038-05