P1.5高清室内LED全彩显示屏设计与实现

张晓芳，陈宇博

（1.漳州理工职业学院，福建漳州 363000；2.漳州蒙发利实业有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

目前，国外LED 显示屏市场趋近饱和，加上国际经济持续低迷，新兴市场发力迟缓，致使LED 显示屏行业出现大幅萎缩，后LED 显示屏时代即将来临。面对市场增长乏力的现状，全彩显示屏将以其更生动、更丰富的显示内容、更大的创意空间，全面满足个性化需求，同时具备数字时代的传播概念，未来将逐步成为LED 显示屏的主流产品。LED材料器件技术和性能不断提高，电子技术发展日新月异，为LED 显示屏产品的技术深化和提高带来良好的基础，半导体照明产业的发展更为LED 显示产业带来良好契机[1]。因此，LED显示屏行业的市场发展前景非常乐观。

经过多年的发展创新，LED 显示屏已逐步从当初的单、双色主导产品过渡到现在性价比更高的全彩显示产品。LED 显示屏应用的成熟，也使整个行业面临着利润被逐渐摊薄，同质化竞争激烈的现状。在新的市场格局下，点间距越来越小、稳定性越来越高、显示效果越来越高清、画面质量越来越细腻、安装使用越来越智能化，并通过深化技术内涵，丰富产品体系，倡导产品多元化，突出主导产品的优势将是LED 显示屏产业发展的重要趋势。具有高密度、高清晰度、宽角度、高亮度、高刷新率、高对比度、智能控制、节能环保等多种技术优势的高端LED显示屏必将成为重点发展的对象。

室内LED 全彩显示屏性价比的提升，将使传统的单、双色显示屏主导产品逐渐失去市场，全彩LED 显示屏将拥有无可比拟的市场优势。根据LED显示屏发展趋势[2]，在技术发展和应用推广下，高端LED 显示屏具有的竞争优势更加明显。首先，高端LED 显示屏是指LED 点间距在P2.5 以下，具有高密度、小间距特征的室内全彩LED 显示屏，主要包括P2.5、P2.0、P1.875、P1.5 等系列产品。其次，高密度、小间距LED 显示屏是整套系统的统称，包括LED 显示系统、高清显示控制系统以及散热系统等。高端LED 显示屏采用像素级的点控技术，实现对显示屏像素单位的亮度、色彩的还原性和统一性的状态管控。

以往，LCD 液晶屏占据低端显示市场半壁江山，室内中高端市场则以DLP 背投显示为主。但是LCD 在能耗、亮度、刷新率、辐射和散热等方面都不及LED，而DLP 又存在诸多天然缺陷。首先，根本无法消除显示单元之间1 mm的拼缝，可以至少吞噬掉一个显示像素；其次，在色彩表现力方面也逊色于直接发光的LED 显示屏。尤为不足的是，由于DLP显示单元之间的差异，造成整个显示屏的色彩和亮度的均匀性很难掌控，随着产品运行时间的增加，单元之间的色彩差异会越来越大，拼缝也很难保持一致，后期维护比较困难。

高端LED 显示屏最大的竞争力在于显示屏可实现完全无缝拼接，以及显示色彩的自然真实。完全无缝拼接，可消除单元亮度衰减和颜色漂移不一致的问题。此外，高端LED 显示屏还具有逐点可调、可校正，动态刷新频率更高，色彩还原性更好，灰度等级更高，寿命更长等优势[3]。在后期维护方面，LED 显示屏拥有成熟的逐点校正技术，使用两年以上的显示屏可使用仪器进行整屏的一次性校正，操作过程简单，显示效果明显。

1 工作原理

P1.5 高清室内LED 全彩显示屏是由独立的全彩模组拼接而成，模组内的每个像素点均由红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色组成，通过LED全彩控制系统，使显示屏实现全彩色显示。LED 全彩显示屏具有色彩丰富、高饱和度、高解析度、显示频率高等优点。

1.1 P1.5高清LED全彩显示屏系统构成

P1.5 高清LED 全彩显示屏系统是基于LED 显示屏设备的大型电子设备工程系统[4]。它包括6 大模块：LED 全彩显示屏设备；LED 显示屏控制系统；LED 显示屏信息处理系统；LED 显示屏配电系统；LED 显示屏安全防护系统；LED 显示屏结构框架工程。系统模块构成如图1所示。

P1.5 高清LED 全彩显示屏系统的各个构成模块之间存在着紧密的联系。

图1 系统模块构成

（1）LED 全彩显示屏设备。包括显示屏箱体、安装片和LED 全彩显示模组，用于显示文本、图像、视频等。

（2）LED 显示屏控制系统。包括LED 显示屏控制卡、发送卡、通讯网线或光纤及配套转接器或无线传输模块等，用于数据信号的控制与传输。

（3）LED 显示屏信息处理系统。包括音视频处理器、外接转换设备等，用于音视频信号的获取与处理。

（4）LED 显示屏配电系统。包括显示屏配电箱及内置远程上电模块，为整个LED 显示屏系统提供电源。

（5）LED 显示屏安全防护系统。包括防水、防尘、防雷、防震，以及防过压、过流、短路、断路等，用于整个LED显示屏系统的保护。

（6）LED 显示屏结构框架工程。包括钢架结构的设计、制作，箱体和LED 模组的安装，以及框架、包边、立柱、基础等工程内容，为LED 显示屏的屏体安装提供辅助支持。

1.2 系统拓扑图

为了更直观、更深入地理解系统的工作原理和各个模块的功能，可参考P1.5 高清LED 全彩显示屏系统拓扑图，如图2所示。

图2 P1.5高清LED全彩显示屏系统拓扑图

从拓扑图可知，音视频切换矩阵从外接应用设备中获取视频源，并解析出全彩视频信号与音频信号，音频信号可直接输出至音响系统，全彩视频信号必须经过视频前端处理器处理后，方可输出至全彩屏控制器。显示屏控制机则提供必要的应用程序控制信号和计算机信号，并同步输出至全彩屏控制器。视频信号、控制信号和计算机信号在全彩屏控制器内进行综合处理与控制，再通过通讯光纤把完整的显示信息传输至全彩色显示屏，使LED 显示屏最终实现全彩色显示。

2 P1.5 LED 全彩模组硬件原理设计

P1.5 高清室内LED 全彩显示屏由P1.5 LED 全彩模组拼接而成。P1.5 LED 全彩模组硬件电路可分核心电路与辅助优化电路两个部分。相较于普通LED全彩模组，P1.5 高清室内LED 全彩模组具有更高的技术含量和更好的显示效果。

2.1 模组功能电路

为了实现P1.5 LED 全彩模组的高清显示，其硬件电路构成具备以下9 种功能电路：LED 显示电路、行驱动电路、列驱动电路、译码电路、信号接口电路、信号处理电路、功率放大电路、芯片保护电路、暗亮消隐电路等。其中，前4种功能电路为核心电路，后5种功能电路为辅助优化电路。LED全彩模组功能电路框图如图3所示。

图3 P1.5 LED全彩模组功能电路

从模组功能电路框图可知，信号接口电路包含信号输入和信号输出2部分，模组功能电路中使用的信号又分为数据信号、扫描信号和控制信号3种。控制信号必须先进行信号处理，再与数据信号、扫描信号共同进行功率放大。功率放大后的数据信号和控制信号直接输入到列驱动电路，用于控制列驱动芯片并输出数据信号。控制信号则输入到保护电路中，使保护芯片产生保护信号并输出，且与扫描信号共同输入至译码电路，通过译码芯片进行译码输出并作用于行驱动电路，用于控制行驱动芯片。在行驱动输出端增加暗亮消隐电路，可消除LED 显示过程中出现的前后拖影现象。P1.5 LED 全彩显示模组则在行驱动和列驱动的共同作用下，显示出全彩图像。经过功率放大后的扫描信号、控制信号和列驱动芯片输出的数据信号，则共同用于本模组的信号输出。

2.2 硬件原理设计

硬件原理电路的设计可以分为核心电路和辅助优化电路两大部分。核心电路分为4个部分：LED显示电路、行驱动电路、列驱动电路和译码电路。本文将着重对LED 显示电路、行驱动电路、列驱动电路和译码电路进行讨论。

（1）LED显示电路

LED 灯珠（SMD1010 封装）为全彩色显示元件，具有发光角度大、一致性好、散热效果佳、可靠性高、寿命长等优点，专为P1.5 高端LED 显示模组设计。

LED灯珠引脚及测试参数如图4所示。由参数图可知（测试温度Ta=25 ℃），红、绿、蓝3色的测试电流分别为8 mA、5 mA、3 mA 时，3 种颜色的管压降均值分别为2 V、3 V、3 V，亮度均值的配比则为3∶6∶1，正好为标准的亮度白平衡比例。因此，本次设计的灯珠电流以此参数为准。

图4 LED灯珠引脚及测试参数

LED 灯珠为共阳极，第①脚须接行扫输出，剩余3脚接对应颜色列驱动输出。LED显示电路[5]如图5所示。图中，H1 为阳极网络，P1R0、P1G0、P1B0分别为红、绿、蓝3色的阴极网络。

（2）行驱动电路

行驱动芯片STM4953 芯片（SO-8 封装）为双P沟道增强型MOS管，其内部包括2个独立的P沟道金属氧化物场效应管。它具有超低的导通电阻，适用于LED显示屏驱动电路。

芯片引脚及内部结构如图6 所示。图中D 为漏极，G为栅极，S为源极。

图5 LED显示电路

图6 STM4953芯片引脚及内部结构

根据P 沟道增强型MOS 管的工作原理，只有当源极S为高电平，栅极G为低电平时，漏极D才能输出高电平，用于LED 显示电路行扫。因此，S1、S2引脚接电源（置高电平），G1、G2 引脚接译码芯片输出信号（74HC138BQ 输出低电平有效），D1、D2引脚作为输出端。行驱动电路如图7所示。

图7 行驱动电路

（3）列驱动电路

列驱动芯片MBI5041GFN 芯片（QFN24L 封装）是专为LED 全彩显示屏设计的驱动IC，内建16 位灰阶控制的脉波宽度调变功能。芯片内建16 位位移缓存器，可将串行的输入资料转换成每个输出通道的灰阶像数，且芯片16 个恒流输出通道所输出的电流值不受输出端负载电压影响，并提供一致恒定的输出电流。通过选用不同阻值的外接电阻，可调整芯片各输出级的电流大小。此外，还可以藉由可程序化的6 位电流增益调整，控制整体LED 的驱动电流。芯片引脚如图8所示，引脚说明如表1所示。

图8 MBI5041GFN芯片引脚

表1 MBI5041GFN引脚说明

参照列驱动芯片的引脚说明，对列驱动电路进行如下设计。CLK1、STB1、OE1 分别接入到时钟、锁存、灰阶引脚端，RD1_1为串行数据输入，RD1_2为串行数据输出，P1R0-P1R15为LED列驱动恒流输出，UR1为外接电阻输入（R1电阻为边调，RR电阻为总调），VCC与GND分别接至电源端与接地端。列驱动电路如图9所示。

图9 列驱动电路

MBI5041GFN 芯片外接电阻Rext调整输出电流（Iout），可套用下列公式计算输出电流值：VR-EXT=0.61Volt×G；Iout=(VR-EXT/Rext)×23，原始G值设定值为1。参照输出电流计算公式和已知目标电流值，可推算外接电阻Rext的阻值。红、绿、蓝外接电阻取值如下。

红色：Iout=8 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=1 754 Ω

绿色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=2 806 Ω

蓝色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=4 677 Ω

外接电阻Rext的阻值由边调及总调共同组合而成。每个列驱动芯片均有1个边调电阻，整个LED全彩模组只有1 个总调，因此边调电阻必须全部并接，再串接总调电阻接地。根据LED 全彩模组像素大小，红、绿、蓝三色驱动芯片各需32 个，即每种颜色均有32 个边调电阻。外接电阻Rext、边调电阻Ra、总调电阻Rx，三者之间存在以下关系：Rext=Ra+32×Rx。按照常用电阻阻值表及推算出的外接电阻阻值，红、绿、蓝3色边调电阻与总调电阻可近似取值如下。

红色：Rext=1 754 Ω；Ra=820 Ω；Rx=30 Ω

绿色：Rext=2 806 Ω；Ra=1 200 Ω；Rx=51 Ω

蓝色：Rext=4 677 Ω；Ra=1 500 Ω；Rx=100 Ω

（4）译码电路

译码电路原理图如图10 所示。模组扫描方式亦为1/16扫，控制线同为16根（S0～S15）。译码电路[6]所用芯片为74HC138BQ（DHVQFN16封装），此芯片为3 线-8 线译码器。其中，Q 为保护信号，接入至引脚，用于译码芯片保护。A、B、C、D为扫描信号，按照译码芯片的功能真值表进行电路连接。通过使用2个3线-8线译码器，亦可组成1/16扫译码电路。

图10 译码电路原理图

（5）信号处理电路

P1.5 LED全彩模组原理设计[7]中，信号处理电路将专门针对控制信号来进行。控制信号中，时钟CLK、锁存STB、灰阶OE，三者缺一不可，它们是否正常工作将直接影响全彩模组能否正常显示。信号处理电路对控制信号主要起两点作用。一是LED全彩模组电路[8]中，CLK、STB为上升沿有效，OE为低电平有效。P1.5 LED 全彩模组上电时，将CLK、STB、OE 置为初始高电平，在无控制信号输入状态下，可保证全彩模组不显示，对LED 灯珠起保护作用。二是输入的控制信号高电平（TTL电路）可能低于电路最低高电平（CMOS 电路），电路抗干扰能力差，受外界干扰易造成全彩模组显示不正常。信号处理电路可拉升高电平，并极大地改善电路抗干扰能力，提高电路稳定性。

（6）功率放大电路

P1.5高清全彩显示屏[9]是由若干数量的LED全彩模组拼接而成，模组内部电路复杂，对信号的驱动能力要求极高，为保证显示屏正常工作，模组必须增加功率放大电路，用于增强信号的驱动能力。功率放大电路所用芯片为74HC245BQ（DHVQFN20 封装），它是一种三态输出、八路信号收发器，主要用于增强电路驱动能力。芯片引脚及功能表如图11所示。

图11 74HC245BQ芯片引脚及功能表

图12 功率放大电路

（7）芯片保护电路

LED 全彩模组使用74HC123BQ 芯片进行电路保护，它是一款高速CMOS器件，为双可重触发单稳态触发器。稳态的脉冲宽度可以由3种方式控制。一是通过选择外部定时元件Cext 和Rext 的值来确定脉冲宽度；二是通过正触发输入端（nB）或负触发输入端（）的重复触发延长twp；三是通过清零端（）的清零使twp缩小。芯片引脚及功能表如图13所示。

图13 74HC123BQ芯片引脚及功能表

图14 芯片保护电路

3 结束语

LED 全彩显示屏将以其更生动、更丰富的显示内容、更大的创意空间，全面满足个性化需求，同时具备数字时代的传播概念，未来将逐步成为视频显示的主流产品。LED 显示屏在社会经济生活中的具体应用领域主要包括：（1）证券交易和金融信息显示；（2）调度指挥中心信息显示；（3）商场和购物中心信息显示；（4）车站和港口旅客引导信息显示；（5）道路交通信息显示；（6）机场航班动态信息显示；（7）展览会和直播演出；（8）体育场馆信息显示；（9）广告媒体；（10）LED多媒体电视等。

P1.5 高清室内LED 全彩显示屏的电路设计，其结果符合设计要求，达到了预定的目标和效果。P1.5高清LED 全彩显示屏的硬件原理设计主要围绕核心电路和辅助优化电路两大部分进行，本文着重对译码电路、行驱动电路和列驱动电路进行了讨论。通过各功能电路的设计，最终完成了高端LED 全彩显示屏模组电路设计。