LED顯示屏控制系統(tǒng)技術現(xiàn)狀及發(fā)展

1、LED 顯示屏控制系統(tǒng)技術現(xiàn)狀及發(fā)展丁鐵夫 嚴飛長春希達電子技術有限公司一、引言20 世紀 90 年代以來， LED 顯示屏的制造技術和應用水平日益提高，在 LED 器件材料和控 制技術方面也不斷涌現(xiàn)新的成果， 高亮度藍色 LED 和純綠色 LED 芯片的問世和商品化， 使 得全彩色 LED 顯示屏成為現(xiàn)實并大量進入市場。 LED 顯示屏經歷了單色， 雙色圖文顯示屏， 到圖像顯示屏，直到全彩色 LED 視頻顯示屏。在此發(fā)展過程中， LED 顯示屏控制系統(tǒng)也經 歷了從低灰度 4bit 到高達 16bi t 灰度的發(fā)展過程， 顯示屏的動態(tài)顯示效果不斷提高； 從最初 簡單的模擬通信方式到現(xiàn)在的實時數(shù)

2、字信號遠距離傳輸， 使顯示屏能夠快速顯示高清晰的畫 面；從最初幾十赫茲的刷新頻率到現(xiàn)在高達上千赫茲的刷新頻率， 使顯示屏適用于各種影像 拍攝器材而畫面無閃爍。LED 顯示屏控制系統(tǒng)分為異步控制系統(tǒng)和同步控制系統(tǒng)。異步控制系統(tǒng)又稱脫機控制系統(tǒng)， 早期脫機控制系統(tǒng)主要用來顯示各種文字、 符號和圖形或 動畫為主。畫面顯示信息由計算機編輯，經 RS232/485 串行口預先置入 LED 顯示屏具有存 儲功能的顯示控制系統(tǒng)中，然后脫離計算機播放， 循環(huán)往復， 顯示方式豐富多彩， 效果變化 多樣。其主要特點是：操作簡單、價格低廉、使用范圍較廣。近年來，由于 RISC 芯片技術 的迅速發(fā)展及嵌入式操作系統(tǒng)的

3、廣泛應用， 脫機控制系統(tǒng)在顯示、 控制及處理能力方面得到 突破，可以支持高分辨率全彩 LED 屏幕的顯示控制和標清、高清視頻的播放。同步控制系統(tǒng)， 主要用來實時顯示視頻、 圖文、信息發(fā)布等， 用于室內或戶外全彩大屏幕顯 示屏。同步控制系統(tǒng)控制的 LED 顯示屏的工作方式基本等同于電腦的監(jiān)視器，它以至少 60 幀/秒更新速率點點對應地實時映射電腦監(jiān)視器或其他視頻播放設備上的圖像：通常具有多 灰度的顏色顯示能力， 可達到多媒體的宣傳廣告效果。 其主要特點是： 實時性、 表現(xiàn)力豐富、 操作較為復雜、價格高。同步控制系統(tǒng)通過 DVI 或 HDMI 等數(shù)字接口與 PC 機的顯卡及他 具有數(shù)字視頻接口的播

4、放設備連接獲取需要顯示的圖像信息。 DVI 接口， 最高輸出分辨率可 達1920X108060Hz，色彩深度為8bit。HDMI接口與DVI接口采用相同的傳輸技術，因此HDMI 接口可以兼容 DVI 接口。除了 DVI 接口現(xiàn)有的性能外， HDMI 接口還支持音頻傳輸 和更高 14bit 的色彩深度。目前控制系統(tǒng)主要有以下幾種方式。（1 ）以單片機為控制器的 LED 顯示屏， 因為受到單片機運算速度及通信速率的限制， 動態(tài) 顯示的刷新率不可能太高， 對顯示效果和移動算法的處理也比較吃力， 實際顯示效果有明顯 的閃爍感，以單片機為控制器的條屏目前仍是單色屏市場的主流。（2）以 ARM 為控制器的

5、 LED 顯示屏，因為 ARM 有著很高的指令效率和時鐘頻率，因此其運算能力很強大，內部資源也十分豐富，在條屏運用中，能用ARM 來實現(xiàn)花樣繁多的顯示方式。 ARM 與 FPGA 的組合功能強大，除了海量存儲技術、無線更新技術，還能實時 顯示視頻信號。因此，常用 ARM 作為異步全彩屏的控制器。（3）以 FPGA 為控制器的 LED 顯示屏，因為 FPGA 是高速，并行的可編程邏輯器件，用 它作為控制器能夠高速地處理 PWM 信號、完成動態(tài)掃描邏輯及完成字符移動算法。 因此被 廣泛用于全彩色 LED 顯示屏系統(tǒng)， 成為同步全彩色 LED 控制系統(tǒng)的主流。 以下主要介紹同 步全彩色 LED 顯示

6、屏控制系統(tǒng)。、全彩 LED 顯示屏控制系統(tǒng)技術一）系統(tǒng)構架通常 LED 顯示屏因驅動級聯(lián)的方式不同，可分為串行式架構和總分式架構。（1）串行式構架。 串行式架構主要包括發(fā)送卡和接收掃描卡兩大板塊。其中， 發(fā)送卡在 LED 顯示控制系統(tǒng)中，通常處于靠近上位 PC 機的位置，其主要功能是將顯卡輸出的視頻信號進行分割和組合，然 后分批發(fā)送給接收掃描卡； 接收掃描卡的輸入和發(fā)送卡的輸出直接連接， 主要完成的功能是 截取發(fā)送卡發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)流中對應自己的那部分數(shù)據(jù)， 同時將其余的數(shù)據(jù)轉發(fā)給下一塊接 收掃描卡，依次級聯(lián)。接收掃描卡將截取到的數(shù)據(jù)驅動到 LED 控制燈板上，就可以表現(xiàn)出 需要顯示的效果。串行

7、式架構中各板卡之間通常采用千兆以太網(wǎng)技術進行連接，網(wǎng)絡拓撲結構為總線型結構， 此結構的優(yōu)點是布線簡單，操作靈活，不過由于板卡間均采用千兆網(wǎng)連接， 成本偏高， 同時 總線型的結構如果拓撲太長，則會導致圖像同步出現(xiàn)問題，會有很嚴重的閃爍感。（2）總分式構架。 總分式構架是在串行式構架的基礎上發(fā)展起來的， 這種構架將原本的接收掃描卡拆分為接收 卡和掃描卡兩大板塊， 與串行式構架相比， 分離開的接收卡是信息匯集的樞紐， 它可以拓撲 多條視頻總線，將單一的總線型拓撲結構改造成樹形拓撲結構?？偡质綐嫾苤懈靼蹇ㄖg的有多種傳輸方式。例如 LVDS ，百兆網(wǎng)，或千兆網(wǎng)。其中 LVDS 成本最低， 不過穩(wěn)定性和

8、靈活性都比百兆網(wǎng)和千兆網(wǎng)要差一些， 百兆網(wǎng)成本和穩(wěn)定性都位于 中等， 而千兆網(wǎng)的靈活性雖然最高， 不過也會付出成本上的代價。 雖然總分式構架在靈活性 上不如串行式構架， 不過總分式可以很好的解決高分辨率圖像的視頻同步， 在顯示屏分辨率 越來越高的今天，總分式結構越來越受到大家的青睞。（二）視頻數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送卡的傳輸面積總要受到傳輸介質帶寬的限制。例如對于 1Gbps 的千兆網(wǎng)，理論上能傳 輸1280X51260Hz的視頻數(shù)據(jù)，不過實際上由于傳輸不可避免的同步控制，通常控制面積 會小于等于這個數(shù)值。 目前市面上主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有以下三種： 光纖傳輸、 網(wǎng)絡傳輸和 LVDS 差分傳輸。（1 ）光纖

9、。最理想的傳輸介質，帶寬最高，可以做到單口 2Gbps 的帶寬，同時因為采用光纖作為傳輸 介質， 可以有效地避免屏體后方各種電磁輻射帶來的干擾。 光纖的傳輸距離可達公里級， 而 一般的千兆網(wǎng)只能傳輸 100 多米。（2）千兆網(wǎng)、百兆網(wǎng)。千兆網(wǎng)的帶寬為IGbps，百兆網(wǎng)有多種速率，125Mbps或250Mbps等等，千兆網(wǎng)和百兆網(wǎng) 的原理基本相同，均采用 8B/10B 編碼的串行傳輸方式，傳輸介質為雙絞線。由于采用金屬 電纜作為傳輸介質， 相比光纖， 容易受到屏體的電磁輻射影響，傳輸沒有光纖可靠，不過在 成本上，千兆網(wǎng)和百兆網(wǎng)要比光纖要低。（3）LVDS 低壓差分信號。LVDS 采用 FPGA

10、內部固化的 IOB ，實現(xiàn) FPGA 和 FPGA 之間的直接連接，相比千兆網(wǎng)，省 去了網(wǎng)絡變壓器和網(wǎng)絡物理層芯片， 因此 LVDS 的成本比光纖或千兆網(wǎng)低。 不過， 在追求成 本方案的同時， LVDS 也有很多問題。例如穩(wěn)定性，傳輸距離和傳輸速度，都要比千兆網(wǎng)低 得多，協(xié)議需要定制，協(xié)議復雜且實現(xiàn)難度較高。三）灰度等級控制精度和刷新率灰度等級控制精度和刷新率是 LED 顯示屏顯示效果最主要的指標。灰度等級控制精度是指 顯示屏在同一級亮度中， 從零灰度到最高灰度之間的等級； 刷新率是指顯示屏每秒鐘顯示數(shù) 據(jù)被重復的次數(shù)。很顯然，灰度等級控制精度和刷新率越高， 顯示效果越好，尤其是在顯示 低亮度

11、圖像的情況下。目前，市面上普遍使用的灰度等級控制精度有 8bit 到 16bit 不等，刷新率從 60 赫茲到上千 赫茲不等，根據(jù)不同的顯示屏設置不同。當然，在控制面積不變的基礎上， 做控制系統(tǒng)的研發(fā)人員都在為提高這兩個指標而不懈努力， 以達到完美的顯示效果。（四）逐點校正技術顯示屏出廠前， 顯示屏各燈發(fā)光參數(shù)的不一致性要求控制系統(tǒng)必須具有逐點校正的能力， 加 入校正功能后能夠使顯示屏錦上添花。 當然， 如果顯示屏選用的管芯太差， 那也只能起到雪 中送炭的作用了。LED 顯示屏在其經過一定的使用周期后， LED 器件衰減特性引起顯示質量下降，采用現(xiàn)場 校調處理技術， 每經過一定使用周期采集顯示

12、屏各基色參數(shù)變化信息， 對顯示屏進行一致化 校正處理，使顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷如初，白場完美?，F(xiàn)場校正技術快速、便捷，可 以保證顯示屏在整個壽命周期內始終運行在高畫質的顯示狀態(tài)。 這就更要求顯示屏控制系統(tǒng) 必須具有逐點校正的能力。目前， 國內自主研發(fā)亮度逐點校正的廠家屈指可數(shù)， 而自主研發(fā)亮度、 色度逐點校正的廠家 就更少了。 由于逐點亮度、色度校正的需要， 在相應的控制系統(tǒng)中必須有亮度、色度控制硬 件才能實現(xiàn)相應的亮度、色度校正功能。校正功能的實現(xiàn)勢必消耗一定的邏輯資源， 同時也造成了設計難度的增加， 因此， 如何采用 合理而又節(jié)省資源的設計方法，是 LED 行業(yè)目前重點研究的課題之一。

13、（五）環(huán)境監(jiān)測隨著用戶的要求越來越多， 也是出于對顯示屏的安全正確使用， 環(huán)境檢測系統(tǒng)越來越受到人 們的重視， 尤其是對戶外顯示屏。 環(huán)境監(jiān)測主要包括監(jiān)測顯示屏內部的溫度、 環(huán)境光的亮度、 環(huán)境的濕度、顯示屏內部的煙霧等，同時監(jiān)控室內也需要實時監(jiān)控顯示屏播放的內容。當顯示屏的溫度過否則顯示屏將會處于以使顯示屏的發(fā)光亮監(jiān)測顯示屏內部的溫度主要是為了確保顯示屏處于一個安全的工作溫度， 高時必須采取措施， 比如說打開空調、風機， 或者降低顯示屏的亮度， 一種非正常溫度的工作范圍，有損顯示屏的使用壽命。監(jiān)測環(huán)境光的亮度是為了在不同的環(huán)境光下合理的調節(jié)顯示屏的亮度， 度最適合人們觀看，也起到了節(jié)能減排的

14、目的。環(huán)境的濕度是為了確保顯示屏在一個合理的濕度范圍內工作， 尤其是在顯示屏上電之前， 必 須先檢測濕度是否達標， 如果不達標， 應該先用風機將干燥的空氣吹入屏體內部， 當濕度降 低時才能夠開屏，否則容易造成危險。 煙霧檢測主要是為了在顯示屏出現(xiàn)火災的情況下，馬上切斷電源并報警。 屏幕監(jiān)控主要是客戶為了實時監(jiān)控顯示內容，當屏幕出現(xiàn)故障時，便于做到及時維護。、 LED 顯示屏控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢探討 進入 21 世紀， LED 電子顯示屏的顯示向更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光均勻比、更 高的可靠性、全色化、多媒體的方向發(fā)展，系統(tǒng)的運行，操作與維護也向集成化、網(wǎng)絡化、 智能化方向發(fā)展。 21 世紀

15、的顯示技術將是平板顯示的時代，顯示屏作為平板顯示的主導產 品之一將有更大的發(fā)展。具體表現(xiàn)在以下幾方面。（一）高亮度、全彩化藍色及綠色超高亮度 LED 產品出現(xiàn)以來，成本逐年快速降低，使 LED 全彩色顯示屏產品 成本下降，推廣速度加快。 同時，隨著控制技術的發(fā)展和屏幕穩(wěn)定性的提高， 全彩色 LED 大 屏將是 LED 顯示屏的發(fā)展方向。（二）節(jié)能環(huán)保通過監(jiān)控等智能設計， 讓顯示屏的能耗始終處于一個合理的運行范圍， 達到節(jié)能減排的目的。（三）中央控制將各地的顯示屏通過一個中央控制室控制和監(jiān)控，節(jié)省人力成本，便于管理和維護。（四）低成本、高性能、高穩(wěn)定性通過不斷的技術創(chuàng)新和研究，將 LED 顯示屏控制系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性做好，并且同時 考慮成本的降低。（五）脫機控制LED 顯示屏發(fā)展到今已逐步走入民用化，如各種店面用的門頭屏、室內外的各種方形屏和