文元美羅麗聶新明劉桂雄

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

LED顯示屏集成控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

文元美1,2羅麗1聶新明1劉桂雄2

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院 2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

在分析LED顯示屏應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹LED顯示屏的工作原理，重點(diǎn)分析LED顯示屏集成控制技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)型控制、總線型控制以及網(wǎng)絡(luò)化控制三個(gè)階段，通過(guò)對(duì)其分析比較，結(jié)合LED顯示屏發(fā)展需求以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，指出物聯(lián)網(wǎng)化是LED顯示屏集成控制技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)，并提出物聯(lián)網(wǎng)下LED顯示屏集成系統(tǒng)架構(gòu)模式。

LED顯示屏；集成控制；物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

LED顯示屏是由發(fā)光二極管燈珠構(gòu)成模組屏體，配以相應(yīng)控制驅(qū)動(dòng)電路的平面式顯示屏幕，具有省電、壽命長(zhǎng)、亮度高、視角大、可視距離遠(yuǎn)、色彩豐富以及對(duì)室內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始，隨著LED制造技術(shù)的不斷完善，LED顯示屏在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)進(jìn)入90年代后，在公眾場(chǎng)合發(fā)布信息的需求日益增加，促使LED顯示屏的設(shè)計(jì)制造技術(shù)與應(yīng)用水平都得到了快速提升。

LED顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏到圖像顯示屏，一直到今天的全彩色視頻顯示屏的發(fā)展過(guò)程。無(wú)論在器件的性能和系統(tǒng)的組成等方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前已經(jīng)達(dá)到的超高亮度全彩色視頻顯示的水平，可以說(shuō)能夠滿足各種應(yīng)用條件的要求。我國(guó)LED顯示屏的發(fā)展基本上與世界水平同步，已經(jīng)形成了一個(gè)具有相當(dāng)發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)[1]。本文在分析LED顯示屏應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，回顧其控制技術(shù)發(fā)展歷程，分析指出物聯(lián)網(wǎng)化是LED顯示屏集成控制技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

2 LED顯示屏應(yīng)用需求

LED顯示屏作為現(xiàn)代信息發(fā)布重要媒介之一，在證券交易、金融、交通、體育、廣告等領(lǐng)域的信息發(fā)布中有廣泛需求。

在監(jiān)測(cè)和探測(cè)領(lǐng)域中，Analatom公司2007年開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SHM），它將MEMS傳感器安裝在建筑物、橋梁或飛機(jī)上，通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示屏，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)分析、智能化顯示[2]；2010年美國(guó)麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)一個(gè)高度靈活的徽章系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線紅外線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收集用于分類和預(yù)測(cè)個(gè)人或組織行為的數(shù)據(jù)，配備大型LED顯示屏，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，為社會(huì)活動(dòng)互動(dòng)帶來(lái)便利[3]。

在城市信息顯示系統(tǒng)中，LED大屏幕顯示技術(shù)已被廣泛植入，通過(guò)城市控制中心管理控制，進(jìn)行LED信息遠(yuǎn)程發(fā)布[4]。北京2007年建成規(guī)模最大的交通誘導(dǎo)信息室外顯示屏發(fā)布系統(tǒng)，圖1為安裝在奧林匹克公園東門外的LED誘導(dǎo)信息顯示屏。控制中心根據(jù)多種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源自動(dòng)計(jì)算生成實(shí)時(shí)路況信息，以文字和圖形方式發(fā)送到室外誘導(dǎo)屏上，各種宣傳、管制、提示信息以及突發(fā)事件信息則通過(guò)人工編輯的方式生成[5,6]。

圖1 LED誘導(dǎo)信息顯示屏

在動(dòng)態(tài)視頻顯示中，2010年伊朗Shahid Beheshti大學(xué)Siavash Khodambashi等依據(jù)單色圖像和視頻動(dòng)畫(huà)的幀差異和存儲(chǔ)特性，通過(guò)XC3S50裝置來(lái)處理和控制LED顯示，系統(tǒng)配置靈活，擴(kuò)展方便[7]；中國(guó)科學(xué)院丁鐵夫等將PC端DVI接口輸出的視頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換為適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)幀格式，在接收端進(jìn)行幀解碼和信號(hào)還原，通過(guò)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換模塊，達(dá)到LED顯示屏遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男枨骩8]。

除此之外，越來(lái)越多的LED顯示屏被安裝在異性模組上，2008年日本Sato.Munehiko等設(shè)計(jì)了一個(gè)可安裝在表面非平面場(chǎng)合上的LED顯示集成系統(tǒng)，接收來(lái)自攝像頭或PC機(jī)的信息，再通過(guò)無(wú)線方式將信息傳輸并映射到LED顯示屏[9]；文獻(xiàn)[10]依據(jù)市場(chǎng)需求提出了開(kāi)發(fā)各種異型LED顯示屏的方案，薄或超薄顯示屏適用于建筑物外表面裝飾，柔性異型框體結(jié)構(gòu)技術(shù)適用于遠(yuǎn)距離觀看大面積顯示屏。隨著顯示屏規(guī)模大型化、與表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物一體化，點(diǎn)狀、線狀、面狀以及異形陣列LED顯示屏或一定區(qū)域內(nèi)分散LED顯示屏必須采用集成化方式進(jìn)行同步測(cè)控，集成化是LED顯示屏重要發(fā)展趨勢(shì)。

3 LED顯示屏集成控制技術(shù)發(fā)展

LED顯示屏是由發(fā)光二極管點(diǎn)陣模塊或像素單元構(gòu)成的模組屏體，包括顯示模塊、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)等組成部分，圖2為L(zhǎng)ED顯示屏結(jié)構(gòu)原理框圖。其中顯示模塊由LED燈珠組成的模組構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)發(fā)光顯示；控制系統(tǒng)接收來(lái)自微機(jī)或處理器的顯示信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內(nèi)容；電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)將輸入電壓電流轉(zhuǎn)為顯示屏需要的電壓電流。

LED顯示屏控制系統(tǒng)是LED顯示屏的核心，LED顯示屏系統(tǒng)的發(fā)展最初從驅(qū)動(dòng)型控制系統(tǒng)開(kāi)始，它通過(guò)LED串行移位控制器以及低壓/高壓型 LED控制器，實(shí)現(xiàn)LED燈光簡(jiǎn)單的亮、滅及模組數(shù)字和簡(jiǎn)易文字顯示。

從上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著LED材料、現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的發(fā)展，LED顯示系統(tǒng)出現(xiàn)了多樣化的控制方式，典型代表有：以級(jí)聯(lián)方式進(jìn)行控制的串行SPI系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)控制方式RS485控制系統(tǒng)（系統(tǒng)框圖如圖3所示）以及DMX512控制系統(tǒng)。圖3中，PC控制站和多個(gè)8031單片機(jī)通過(guò)一個(gè)RS485工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，顯示信息由PC機(jī)多媒體編輯軟件編輯完成后傳送給8031單片機(jī)，8031單片機(jī)作為控制器件，保證LED控制扳上各部分的有序工作，使LED多媒體顯示屏實(shí)現(xiàn)圖像、字符顯示，完成對(duì)RS485輸入點(diǎn)陣信息存儲(chǔ)及顯示等功能[11]。

圖2 LED顯示屏結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 RS485總線控制LED顯示系統(tǒng)總框圖

可以發(fā)現(xiàn)，這些總線控制技術(shù)基本能實(shí)現(xiàn)單體或小區(qū)域LED顯示系統(tǒng)的信息顯示功能，但都存在一些缺點(diǎn)。如DMX512控制系統(tǒng)對(duì)每個(gè)模組都要求有控制器，設(shè)置地址麻煩，異步傳輸復(fù)雜；串行SPI控制系統(tǒng)以級(jí)聯(lián)方式控制LED顯示屏，發(fā)生故障時(shí)，不易維護(hù)；應(yīng)用RS485總線控制應(yīng)用層協(xié)議在各廠家之間標(biāo)準(zhǔn)未達(dá)到統(tǒng)一，兼容性較差。故在大范圍內(nèi)應(yīng)用這類技術(shù)，存在工程安裝維護(hù)過(guò)程困難、成本高、傳輸距離短以及顯示屏數(shù)量規(guī)模受到限制等缺點(diǎn)。

基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的LED網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)隨后得到迅速發(fā)展，圖4為其系統(tǒng)原理框圖。系統(tǒng)由多個(gè)控制器NLC協(xié)同工作，每個(gè)控制器有不同的IP地址，并且控制相應(yīng)的顯示屏幕，多個(gè)控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集線器HUB和 PC機(jī)相連，控制器負(fù)責(zé)接收PC機(jī)發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)及進(jìn)行處理，并發(fā)送到LED顯示屏上。

有文獻(xiàn)報(bào)道[12]基于TCP/IP的LED控制卡NetMO，能實(shí)現(xiàn)LED控制同步、異步二合一，每塊NetMO控制卡可設(shè)置獨(dú)立IP地址、視頻服務(wù)IP地址和接受端口，可將其視為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行操作。用TCP／IP傳輸控制協(xié)議能使LED顯示系統(tǒng)控制質(zhì)量、可靠性有一定程度提高，雙向通信使設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制有效性加強(qiáng)，但存在信息傳輸途徑單一，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能有限，操作繁瑣等問(wèn)題。

從1999年美國(guó)麻省理工大學(xué)MIT提出物聯(lián)網(wǎng)概念以后，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注和高度重視，并在智能電網(wǎng)、智能汽車、醫(yī)療健康、智能家居等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域投入使用。2009年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬上任后，提出美國(guó)政府將參與投資物聯(lián)網(wǎng)智慧型基礎(chǔ)設(shè)施等新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)，將以傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為核心的“智慧地球”計(jì)劃上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，是美國(guó)21世紀(jì)保持和奪回競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的手段。2010年中國(guó)國(guó)家主席胡錦濤在兩院院士大會(huì)上也提出“要積極發(fā)展智能寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、先進(jìn)傳感和顯示、先進(jìn)可靠軟件技術(shù)，建設(shè)由傳感網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)超算、智能軟件技術(shù)構(gòu)成的智能基礎(chǔ)設(shè)施”[13]。

圖4 基于TCP／IP的LED網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)原理框圖

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)是把傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、RFID技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運(yùn)算技術(shù)等融為一體，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳送、智能處理為特征的，連接人和物理世界的網(wǎng)絡(luò)[14,15]。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了包括中國(guó)在內(nèi)的各國(guó)的重視，中國(guó)也提出要建設(shè)中國(guó)的信息高速基礎(chǔ)設(shè)施。顯然在信息時(shí)代，未來(lái)的世界將是物聯(lián)網(wǎng)的世界，未來(lái)LED顯示屏就是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)終端。智能化網(wǎng)絡(luò)集成控制、聯(lián)網(wǎng)集成控制多屏技術(shù)將成為主流，圖5為筆者提出的物聯(lián)網(wǎng)模式下LED顯示集成系統(tǒng)原理圖。利用Internet、3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)等技術(shù)將不同區(qū)域內(nèi)離散的LED顯示系統(tǒng)相互連接起來(lái)建立平臺(tái)，由控制中心對(duì)分布的各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、同步控制，促使整個(gè)控制區(qū)域顯示系統(tǒng)顯示信息時(shí)能實(shí)時(shí)按需分配。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)模式下的LED顯示系統(tǒng)原理框圖

LED顯示屏已成為各類場(chǎng)合向公眾發(fā)布信息的主要顯示設(shè)備，隨著顯示信息的公開(kāi)化、透明化以及行業(yè)之間的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，將會(huì)帶來(lái)新的安全威脅，顯示內(nèi)容可能被惡意修改或者屏蔽，容易造成個(gè)人隱私、商業(yè)機(jī)密以及政府基礎(chǔ)設(shè)施信息的泄露或者更改，顯示終端的安全可信問(wèn)題成為物聯(lián)網(wǎng)模式下LED顯示集成平臺(tái)必須解決的基本問(wèn)題。

4 結(jié)論

① 伴隨著城市個(gè)性化需求以及LED顯示屏規(guī)模的擴(kuò)大，必須將一定區(qū)域內(nèi)不同信息格式、控制方式和分散的LED顯示屏通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化信息接口集成起來(lái)，集成化是LED顯示屏技術(shù)重要發(fā)展趨勢(shì)。

② 隨著顯示屏規(guī)模大型化、與表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜建筑物一體化，點(diǎn)狀、線狀、面狀以及異形陣列LED顯示屏或一定區(qū)域內(nèi)分散LED顯示屏必須采用有線、無(wú)線方式集成化同步測(cè)控，物聯(lián)網(wǎng)化是LED顯示屏重要發(fā)展趨勢(shì)。

③ 由于LED屏顯示內(nèi)容可信程度具有重大政治、社會(huì)影響力，而可信又是制約物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的瓶頸，因此物聯(lián)網(wǎng)化LED顯示屏集成平臺(tái)可信度是LED顯示屏技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用中面臨著的關(guān)鍵問(wèn)題。

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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：機(jī)電一體化技術(shù)及裝備。