張文旭

(無錫廣播電視集團,江蘇　無錫　214061)

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LED全彩顯示大屏系統(tǒng)方案

張文旭

(無錫廣播電視集團,江蘇無錫214061)

隨著科技事業(yè)的快速發(fā)展，LED全彩顯示大屏的應(yīng)用幾乎涉及人們公共活動的所有領(lǐng)域，現(xiàn)已成為推動社會前進的新動力。該文結(jié)合無錫廣電傳媒中心的具體案例，就其系統(tǒng)架構(gòu)、功能、原理以及需要達到的性能指標(biāo)進行剖析，并給出了實現(xiàn)這些指標(biāo)的具體措施。

LED; 全彩顯示; 大屏

LED全彩顯示大屏系統(tǒng)是集通信、視頻、光電子、微電子、數(shù)字處理和計算機控制等多種高科技技術(shù)于一體的現(xiàn)代平面顯示設(shè)備。它具有亮度高、視角廣、響應(yīng)速度快、不閃爍、畫面流暢、顯示方式多樣,且組態(tài)靈活、故障率低、使用壽命長、功耗少、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國防科研、城建規(guī)劃、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、體育賽事、影視娛樂、廣告媒體、金融、貿(mào)易、電信等諸多領(lǐng)域，并有不斷擴展之勢，這給相關(guān)行業(yè)的繁榮提供了良好的發(fā)展契機，必將成為經(jīng)濟增長的新亮點。隨著科技事業(yè)的快速發(fā)展，LED全彩顯示大屏的應(yīng)用幾乎涉及到人們公共活動的所有領(lǐng)域，現(xiàn)已成為推動社會前進的新動力。該文結(jié)合無錫廣電傳媒中心的具體案例，就其系統(tǒng)架構(gòu)、功能、原理以及需要達到的性能指標(biāo)來進行剖析，并給出了實現(xiàn)這些指標(biāo)的具體措施。

1　LED全彩顯示大屏系統(tǒng)的架構(gòu)與功能

LED全彩顯示大屏系統(tǒng)是由多種相關(guān)軟件和主控PC機、LED數(shù)字發(fā)送卡、LED接收卡、LED全彩顯示大屏以及其他配套電路等共同構(gòu)成。其具體分為編輯、控制和顯示三個分系統(tǒng)。利用光纖的強大傳輸和通信功能，實現(xiàn)文字、圖像等畫面實時而流暢的顯示。安裝完工后的LED全彩顯示大屏效果如圖1所示：

圖1　安裝完工后的效果圖

1.1編輯分系統(tǒng)主要有節(jié)目制作、編輯、播放控制等軟件構(gòu)成

其功能是完成節(jié)目的整理、設(shè)計和編排，并將編排好的節(jié)目內(nèi)容傳入控制分系統(tǒng)。其中節(jié)目軟件的功能是輸入原始資料數(shù)據(jù)并加工成型。編輯軟件的功能是將節(jié)目軟件成型的程序按照主題思想編輯成具有強力吸引力的節(jié)目?？刂栖浖墓δ苁菍⒕庉嬡浖庉嫼玫某绦蚪Y(jié)合控制分系統(tǒng)功能按要求控制大屏幕的有序顯示。

1.2控制分系統(tǒng)由主控PC機、多媒體卡和LED控制器等組成

主要功能是顯示數(shù)據(jù)的編輯、處理與分配，控制顯示大屏的顯示。

1.3顯示分系統(tǒng)是由掃描板、視頻處理器、動態(tài)圖像數(shù)據(jù)分配板和LED發(fā)光器件組成的可控顯示板等共同構(gòu)成

其中，可控顯示板，即全彩顯示大屏幕是由M行N列像素和對應(yīng)的驅(qū)動單元及配套電路等共同構(gòu)成的模塊，根據(jù)實際需求大小，采用搭積木的方式拼接并固定在框架上形成現(xiàn)代平面顯示大屏幕。其功能是在控制分系統(tǒng)的控制下，把編輯成型的節(jié)目數(shù)據(jù)有序地在大屏幕上向人們顯示多彩的畫面。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2　LED全彩顯示大屏系統(tǒng)的相關(guān)原理

2.1LED顯示屏設(shè)計原理

LED顯示屏是提供給人們觀看的媒介，它與光學(xué)特性和人眼特性之間存在著必然的內(nèi)在聯(lián)系。因此LED顯示屏的設(shè)計是根據(jù)客觀存在的光學(xué)原理和人眼對外界物體光刺激的感知特性，通過對人眼的構(gòu)造和人眼各部位的功能與特性分析，破解了人眼感知外界物景的生理原理，然后根據(jù)人眼的生理感知光源的原理進行設(shè)計。對于人眼的構(gòu)造、感知特性與原理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，在此不再詳述。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2LED的基本原理

LED是由PN結(jié)—芯片，陰陽兩極引腳和環(huán)氧樹脂外殼等組成。其中，關(guān)鍵部件是注入復(fù)合發(fā)光功能的PN結(jié)。而注入的具有發(fā)光特性的物質(zhì)是由磷、鎵、砷、鋁、氮等在特定條件下能自動發(fā)光的物質(zhì)元素，按一定比例進行多形式配伍復(fù)合而成，因此，PN結(jié)在正向電壓作用下能發(fā)光。但不同復(fù)合型材料制成的PN結(jié)發(fā)出光的亮度和顏色是不同的。LED具有單向?qū)щ娞匦?，正向?qū)ǚ聪蚪刂?，即具有整流性特性的二極管。與普通二極管相比，不同之處是它在外界正向電壓向LED芯片注入電子時，電子在PN結(jié)處與空穴復(fù)合放出能量，多余的能量就以光的形式散發(fā)出來。因此，LED是一種“電致發(fā)光”器件。同時，它與通過的電流量及導(dǎo)通時間成正比，按照通過電流量的大小和導(dǎo)通時間的長短發(fā)出不同波長的光，通過的電流量(在一定電流值范圍內(nèi))越大或?qū)〞r間越長，LED越亮，反之越暗。不管LED外觀構(gòu)造如何變化，但LED芯片結(jié)構(gòu)和發(fā)光原理與特性不會改變。

2.3LED顯示屏的工作原理

由于LED是一種“電致發(fā)光”器件，其主要工作原理是通過控制LED點陣模塊中各個LED的電流通斷方式，使組成這些文字或圖像的各個點所在位置相對應(yīng)的LED點亮或熄滅。

對于只需控制電流通斷的LED顯示屏，每個LED都是整個數(shù)據(jù)中的一個位(bit)，在某個需要發(fā)光的LED的相應(yīng)位置填“1”或“0”，依照需求逐行、逐列、逐點填寫顯示數(shù)據(jù)，形成顯示文件，就能獲得所需的顯示圖像。

由于LED的發(fā)光程度與通過PN結(jié)的電流量及導(dǎo)通時間成正比，因此，可以利用這一特性，采取按一定步長調(diào)節(jié)LED的正向電流量和控制導(dǎo)通時間的方式可獲得不同的灰度級。同時，LED又具有快速響應(yīng)的特性，最高可達數(shù)十赫茲，因此，采用脈沖法能驅(qū)動LED發(fā)光，只要通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比就能得到不同的灰度級。三者配合運用就可達到調(diào)節(jié)LED的整屏亮度。

LED全彩顯示屏(All Colored Panel)是由許多像素(LED發(fā)光器件)組成的。每個像素點必須至少由分別為紅、綠、藍(RGB)三種基色調(diào)的LED(能發(fā)光的二極管)。利用空間調(diào)色原理，按一定規(guī)律排列在一起做成一個像素點。這種像素組合，控制時，對應(yīng)于每種顏色都有自己的顯示矩陣。各種顏色的顯示點陣都是分開控制的，通過事先設(shè)置的各種顏色的顯示數(shù)據(jù)，在顯示時分別送到各自的顯示點陣，就可獲得預(yù)期效果。同時，通過分別對三種基色的發(fā)光亮度進行高頻率轉(zhuǎn)換，就可獲得16777216種顏色。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)通過數(shù)字化、逐行化及倍頻化后使之適應(yīng)于LED顯示屏的分辨率，這樣就能在屏幕上顯示一幀多彩的視頻圖像。

3　LED全彩顯示大屏系統(tǒng)性能指標(biāo)和指標(biāo)實現(xiàn)的具體措施

3.1亮度

亮度是指LED顯示屏顯示全白時整體亮度的測試值。指標(biāo)分別為室內(nèi)屏表面發(fā)光亮度不低于1 000 lux/m2；室外屏表面發(fā)光亮度不低于3 000 lux/m2。

實現(xiàn)這種亮度指標(biāo)，可從與亮度有關(guān)的因素進行考慮。亮度與制成PN結(jié)—芯片的材料、像素點密度、通過PN結(jié)的正向電流量、導(dǎo)通時間以及LED直徑有關(guān)，因此可從四個方面入手。① 選用發(fā)光性能較強的復(fù)合材料制成PN結(jié)的LED。由于不同材料制造出來的芯片發(fā)光強度是不同的，因此，采取選優(yōu)取用的方法不失為一條提高LED亮度的有效途徑。② 增加單位面積內(nèi)像素點的數(shù)量。一方面增加像素點的數(shù)量本身能提高亮度；另一方面，單位面積內(nèi)像素的增加，促進了密度的提高，點間距縮小，不發(fā)光區(qū)便會消失。但并否無限增加越密越好。因為LED的像素點在單位面積內(nèi)越多，電路板上的布線及其他配置越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，這樣既會提高投入成本，又會增加電路板的制作難度。對于全彩顯示大屏幕而言，單位面積內(nèi)像素點應(yīng)達到1920*1080個。③ 增大單位時間內(nèi)電流量(一定值范圍內(nèi))的平均值來提高整屏亮度。但當(dāng)電流量達到一定值后進入飽和區(qū)，在飽和區(qū)內(nèi)增加電流量，顯示屏亮度不會增加，而只會導(dǎo)致功耗增加，甚至LED會被燒毀。④ 增大LED的直徑，但這只適用于室外，而不適應(yīng)于室內(nèi)。

3.2分辨率

分辨率是指圖形顯示的清晰程度。因為它與像素點的密度有關(guān)，因此，通常把顯示屏矩形顯示區(qū)域內(nèi)行數(shù)乘以列數(shù)的形式加以表示，以行列數(shù)的多少作為衡量分辨率高低的標(biāo)準(zhǔn)。行列數(shù)越多，像素點越密，像素點點間不發(fā)光區(qū)越小或消除，顆數(shù)感越不顯現(xiàn)或消失，圖像越清晰。當(dāng)像素點達到1920*1080時，顆粒感就會完全消失，這種密度的像素點顯示稱為高清顯示。提高分辨率的措施是在印制電路板時，增加行列密度，促使像素點增加。

3.3刷新率

刷新率是指閃爍的頻率。對于高清顯示屏的刷新率要達到780幀以上，即120 Hz，以支持實時動畫、視頻顯示，確保畫面亮度高、不閃爍、不停頓，使畫面流暢。實現(xiàn)這一指標(biāo)的措施是采用控制軟件事先設(shè)置的頻率控制參數(shù)來實現(xiàn)。

3.4灰度級

灰度級是指顯示屏能變換顯示顏色的種類數(shù)量。全彩顯示屏幕的灰度級要達到256*256*256級。即每個像素點的三個分別為紅、綠、藍像素各自發(fā)光的等級差別數(shù)量都要達到256級?；叶燃壴礁?，顯示圖像越鮮艷、細(xì)膩?；叶燃壍男枨笾笜?biāo)可通過電壓法、幅值法、幀灰度法、空間法、脈寬調(diào)制法和子場法等調(diào)控方式加以實現(xiàn)，一般采用通過改變影響發(fā)光時間長短的電流脈沖寬度占空比法就可選擇不同的灰度級。

3.5對比度

對比度是指顯示屏全白與全黑時亮度的比值。對比度越高，顯示效果越清晰、透徹，對于LED顯示屏而言，LED通電即亮，斷電即熄，比液晶顯示屏的對比度要高得多，無須也無法額外提高。

3.6可視度

可視度是指以顯示畫面的垂直法線為基準(zhǔn)，在法線左右兩旁能觀看正常畫面的最大夾角的度數(shù)。可視角越大，可正常觀看的范圍越大，既能擴大觀看者觀看位置的隨意性，又能增加正常觀看人數(shù)的總量?？梢暯堑拇笮∪Q于整屏的亮度和亮度分布，因此，提高可視角度數(shù)的措施可從這兩個方面入手。對于如何提高LED的整屏亮度，已在3.1中表述清楚，不再重復(fù)。對于亮度的分布問題，一是通過改進LED的封裝設(shè)計與工藝，加大水平方向的視角，縮小垂直方向的視角；二是在封裝材料中加入一定量的散色劑可使視角增大。但這一措施，只適用于室內(nèi)顯示屏，而不適用于室外顯示屏。因為，室外要受到紫外線和氣候的影響，散色劑的透明度會下降，導(dǎo)致亮度下降，并會影響到顯示屏的使用壽命。

3.7響應(yīng)率

響應(yīng)率是指各像素對輸入信號產(chǎn)生反應(yīng)所需的時間速度。響應(yīng)率越快，反應(yīng)時間越短，圖像越實時逼真；響應(yīng)率若慢，則在播放快速切換畫面時，會產(chǎn)生顯示拖影現(xiàn)象而影響視覺感受。對于LED而言不存在著響應(yīng)速度問題，因為LED通電即亮、斷電即熄，其亮熄速度為納秒級。關(guān)鍵是要解決信號的傳輸速度問題，這可以采用光纖傳輸信號。當(dāng)然與屏幕電路板中的接線、其他配件及工藝的質(zhì)量密不可分。換言之，除需解決信息傳輸線路問題外，還需提高電路板的整體質(zhì)量。

3.8整屏亮度與色度的一致性

整屏亮度與色度的一致性是指整個屏幕上不能出現(xiàn)某一部分特別亮或特別暗的馬賽克、花屏現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是制造工藝造成的各LED光電參數(shù)的不一致性(差異性)。解決這種花屏現(xiàn)象的措施是選用同一廠家、同一批次的LED，并且出廠前廠家必須采用專業(yè)的分光分色機進行分類篩選。

3.9失控比

失控比是指LED失去控制(即不亮的LED)的數(shù)量與整屏LED總數(shù)的比例。室內(nèi)屏失控比應(yīng)小于萬分之三，室外屏失控比應(yīng)小于萬分之二。這可以通過提高LED自身質(zhì)量和安裝LED時的接線質(zhì)量來加以實現(xiàn)。

3.10環(huán)境抵御力

環(huán)境抵御力是指顯示屏對顯示環(huán)境的溫度、濕度及灰塵、雨水的抵御能力。在溫度方面，室內(nèi)屏應(yīng)能在40 ℃以內(nèi)、室外屏應(yīng)能在50 ℃以內(nèi)正常顯示；濕度方面，應(yīng)能在百分之九十的相對濕度下正常工作；室外屏還應(yīng)符合于IP標(biāo)準(zhǔn)的各等級防塵、防水要求。應(yīng)對溫度的關(guān)鍵是解決散熱問題，可在印制電路板(PCB)各元器件布局時，對發(fā)熱量較大的器件預(yù)留出足夠的散熱空間。對于解決防濕、防水、防塵要求的措施是：LED大屏幕的顯示單元模塊采用封閉式的單元箱體結(jié)構(gòu)，并采用雙組份常溫固化環(huán)氧灌封料對電路板表面及電路板之間、電路板與單元箱體之間所有縫隙和LED下部2/3灌注絕緣層，使整個LED顯示大屏只有顯示單元正面(LED發(fā)光面)與外界環(huán)境接觸，最大限度地將整個電路板和LED發(fā)光管與外界環(huán)境隔絕，使之提高防濕、防水、防塵性能。并可大幅提高電子器件的整體性，增強對外來沖擊、震動的抵御能力，提高元件、電路之間的絕緣性能。

3.11可靠性

可靠性是指顯示屏整體質(zhì)量的可靠性，即LED各顯示單元的平均無故障工作時間。指標(biāo)應(yīng)不低于100 000 h。要確保和提高LED顯示大屏的可能性，除采取3.10中所述的各種措施外，還需依賴于各元器件的材質(zhì)保證和各道工藝都能做到精益求精，使各元器件和組裝質(zhì)量都達到高水準(zhǔn)予以保障。

4　其他功能與技術(shù)要求

要實現(xiàn)上述各項性能指標(biāo)，除已給出的相應(yīng)具體措施外，還需滿足于下列功能與技術(shù)要求。

4.1前期節(jié)目制作使用的拍攝設(shè)備必須具有自動調(diào)節(jié)色溫的功能

這種色溫是指通過發(fā)射體發(fā)射譜形狀和最佳擬合的黑體發(fā)射譜形狀較為確定的溫度。只有當(dāng)這種色溫和拍攝廳內(nèi)燈光的色溫相同，才能在拍攝過程中獲得理想的色彩再現(xiàn)。因此，LED顯示系統(tǒng)的拍攝設(shè)備必須具有自動調(diào)節(jié)色溫的功能，使之能在3 200 K～9 000 K之間漸變。

4.2數(shù)據(jù)信號傳輸

數(shù)據(jù)信號傳輸速度要達到最高能支持1920*1080分辨率的要求，并在確保傳輸數(shù)據(jù)信號可靠的前提下，最大傳輸距離要能達到1 000 m，實現(xiàn)RGB全彩顯示大屏的遠(yuǎn)距離控制。

對于解決數(shù)據(jù)傳輸速度問題的措施在3.7響應(yīng)率中已作過說明，不再復(fù)述。關(guān)于影響數(shù)據(jù)信號傳輸可靠性的主要原因是電磁干擾，如何解決這一問題的具體措施將在4.3中予以闡明。

4.3要實現(xiàn)電磁具有兼容性

電磁兼容性是指相關(guān)電路都不受相鄰電磁波干擾。整個系統(tǒng)需要解決的電磁干擾主要包括兩個方面，一是電路板，二是電源線。

4.3.1電路板的電磁兼容性要達到工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，具有很好的抗干擾能力實現(xiàn)這種目標(biāo)的具體措施是在實施電路板各器件布局及排線等等相應(yīng)工藝時采用接地、屏蔽、濾波、正確選擇無源器件和電路技術(shù)等方法予以實現(xiàn)。對于這些措施的具體操作，在此不作詳解。

4.3.2要解決電源線電磁干擾問題解決電源線電磁干擾的具體措施，一是采取就地取源的原則，盡量縮短電源線長度。二是布線時將電源線與數(shù)據(jù)線分開走，單獨放置于專用的線槽或線管內(nèi)。若只能在同一橋架中走線，則兩線之間至少保持30 mm以上間距并以金屬隔板分隔，避免電源線對數(shù)據(jù)線的干擾。

4.4LED發(fā)送卡、接收卡

LED發(fā)送卡、接收卡要方便于工作人員現(xiàn)場安裝及調(diào)試；LED發(fā)送卡應(yīng)提供PCI接頭，以便于集成于PC機內(nèi)部。

5　LED顯示系統(tǒng)前景展望

由于LED具有節(jié)能環(huán)保和應(yīng)用范圍廣泛的特性，因此，我國早已將LED作為“31項國家鼓勵發(fā)

展的電子產(chǎn)品”之一和“20種鼓勵外商投資的電子產(chǎn)品和技術(shù)”之一，重點予以發(fā)展。經(jīng)過十多年的不懈努力，我國在該領(lǐng)域已取得了令人刮目相看的豐碩成果。尤其是LED全彩顯示大屏系統(tǒng)發(fā)展至今已顯示出來的眾多性能優(yōu)勢，可謂LED系列產(chǎn)品中一枝獨秀的瑰麗奇葩，能為使用單位提高工作效率，因此現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。堅信隨著國家對LED產(chǎn)業(yè)扶持政策的不斷持續(xù)，加上應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，甚至?xí)占暗饺藗児不顒拥乃袌鏊?。因而LED顯示系統(tǒng)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)革新必將迎來前所未有的契機和美好前景。

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責(zé)任編輯俞林

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

張文旭(1966—)，男，湖北武漢人，工程師, 研究方向：智能樓宇技術(shù)。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2016.02.012

O 432.2

A

1671-7880(2016)02-0038-05