LED顯示屏控制系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

1、LED 顯示屏控制系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展丁鐵夫 嚴(yán)飛長(zhǎng)春希達(dá)電子技術(shù)有限公司一、引言20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)， LED 顯示屏的制造技術(shù)和應(yīng)用水平日益提高，在 LED 器件材料和控 制技術(shù)方面也不斷涌現(xiàn)新的成果， 高亮度藍(lán)色 LED 和純綠色 LED 芯片的問(wèn)世和商品化， 使 得全彩色 LED 顯示屏成為現(xiàn)實(shí)并大量進(jìn)入市場(chǎng)。 LED 顯示屏經(jīng)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(guò)程中， LED 顯示屏控制系統(tǒng)也經(jīng) 歷了從低灰度 4bit 到高達(dá) 16bi t 灰度的發(fā)展過(guò)程， 顯示屏的動(dòng)態(tài)顯示效果不斷提高； 從最初 簡(jiǎn)單的模擬通信方式到現(xiàn)在的實(shí)時(shí)數(shù)

2、字信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸， 使顯示屏能夠快速顯示高清晰的畫(huà) 面；從最初幾十赫茲的刷新頻率到現(xiàn)在高達(dá)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(huà)面無(wú)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(chēng)脫機(jī)控制系統(tǒng)， 早期脫機(jī)控制系統(tǒng)主要用來(lái)顯示各種文字、 符號(hào)和圖形或 動(dòng)畫(huà)為主。畫(huà)面顯示信息由計(jì)算機(jī)編輯，經(jīng) RS232/485 串行口預(yù)先置入 LED 顯示屏具有存 儲(chǔ)功能的顯示控制系統(tǒng)中，然后脫離計(jì)算機(jī)播放， 循環(huán)往復(fù)， 顯示方式豐富多彩， 效果變化 多樣。其主要特點(diǎn)是：操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、使用范圍較廣。近年來(lái)，由于 RISC 芯片技術(shù) 的迅速發(fā)展及嵌入式操作系統(tǒng)的

3、廣泛應(yīng)用， 脫機(jī)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(biāo)清、高清視頻的播放。同步控制系統(tǒng)， 主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示視頻、 圖文、信息發(fā)布等， 用于室內(nèi)或戶(hù)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(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)地實(shí)時(shí)映射電腦監(jiān)視器或其他視頻播放設(shè)備上的圖像：通常具有多 灰度的顏色顯示能力， 可達(dá)到多媒體的宣傳廣告效果。 其主要特點(diǎn)是： 實(shí)時(shí)性、 表現(xiàn)力豐富、 操作較為復(fù)雜、價(jià)格高。同步控制系統(tǒng)通過(guò) DVI 或 HDMI 等數(shù)字接口與 PC 機(jī)的顯卡及他 具有數(shù)字視頻接口的播

4、放設(shè)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(dá)1920X108060Hz，色彩深度為8bit。HDMI接口與DVI接口采用相同的傳輸技術(shù)，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(jī)為控制器的 LED 顯示屏， 因?yàn)槭艿絾纹瑱C(jī)運(yùn)算速度及通信速率的限制， 動(dòng)態(tài) 顯示的刷新率不可能太高， 對(duì)顯示效果和移動(dòng)算法的處理也比較吃力， 實(shí)際顯示效果有明顯 的閃爍感，以單片機(jī)為控制器的條屏目前仍是單色屏市場(chǎng)的主流。（2）以 ARM 為控制器的

5、 LED 顯示屏，因?yàn)?ARM 有著很高的指令效率和時(shí)鐘頻率，因此其運(yùn)算能力很強(qiáng)大，內(nèi)部資源也十分豐富，在條屏運(yùn)用中，能用ARM 來(lái)實(shí)現(xiàn)花樣繁多的顯示方式。 ARM 與 FPGA 的組合功能強(qiáng)大，除了海量存儲(chǔ)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)更新技術(shù)，還能實(shí)時(shí) 顯示視頻信號(hào)。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?yàn)?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(hào)、完成動(dòng)態(tài)掃描邏輯及完成字符移動(dòng)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(shù)一）系統(tǒng)構(gòu)架通常 LED 顯示屏因驅(qū)動(dòng)級(jí)聯(lián)的方式不同，可分為串行式架構(gòu)和總分式架構(gòu)。（1）串行式構(gòu)架。 串行式架構(gòu)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(jī)的位置，其主要功能是將顯卡輸出的視頻信號(hào)進(jìn)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(duì)應(yīng)自己的那部分?jǐn)?shù)據(jù)， 同時(shí)將其余的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一塊接 收掃描卡，依次級(jí)聯(lián)。接收掃描卡將截取到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(gòu)中各板卡之間通常采用千兆以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行連接，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)， 此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是布線(xiàn)簡(jiǎn)單，操作靈活，不過(guò)由于板卡間均采用千兆網(wǎng)連接， 成本偏高， 同時(shí) 總線(xiàn)型的結(jié)構(gòu)如果拓?fù)涮L(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致圖像同步出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)有很?chē)?yán)重的閃爍感。（2）總分式構(gòu)架。 總分式構(gòu)架是在串行式構(gòu)架的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 這種構(gòu)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(gòu)架相比， 分離開(kāi)的接收卡是信息匯集的樞紐， 它可以拓?fù)?多條視頻總線(xiàn)，將單一的總線(xiàn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改造成樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偡质綐?gòu)架中各板卡之間的有多種傳輸方式。例如 LVDS ，百兆網(wǎng)，或千兆網(wǎng)。其中 LVDS 成本最低， 不過(guò)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(guò)也會(huì)付出成本上的代價(jià)。 雖然總分式構(gòu)架在靈活性 上不如串行式構(gòu)架， 不過(guò)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(lái)越高的今天，總分式結(jié)構(gòu)越來(lái)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(zhì)帶寬的限制。例如對(duì)于 1Gbps 的千兆網(wǎng)，理論上能傳 輸1280X51260Hz的視頻數(shù)據(jù)，不過(guò)實(shí)際上由于傳輸不可避免的同步控制，通常控制面積 會(huì)小于等于這個(gè)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(luò)傳輸和 LVDS 差分傳輸。（1 ）光纖

9、。最理想的傳輸介質(zhì)，帶寬最高，可以做到單口 2Gbps 的帶寬，同時(shí)因?yàn)椴捎霉饫w作為傳輸 介質(zhì)， 可以有效地避免屏體后方各種電磁輻射帶來(lái)的干擾。 光纖的傳輸距離可達(dá)公里級(jí)， 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(zhì)為雙絞線(xiàn)。由于采用金屬 電纜作為傳輸介質(zhì)， 相比光纖， 容易受到屏體的電磁輻射影響，傳輸沒(méi)有光纖可靠，不過(guò)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(hào)。LVDS 采用 FPGA

10、內(nèi)部固化的 IOB ，實(shí)現(xiàn) FPGA 和 FPGA 之間的直接連接，相比千兆網(wǎng)，省 去了網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)絡(luò)物理層芯片， 因此 LVDS 的成本比光纖或千兆網(wǎng)低。 不過(guò)， 在追求成 本方案的同時(shí)， LVDS 也有很多問(wèn)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(fù)雜且實(shí)現(xiàn)難度較高。三）灰度等級(jí)控制精度和刷新率灰度等級(jí)控制精度和刷新率是 LED 顯示屏顯示效果最主要的指標(biāo)?；叶鹊燃?jí)控制精度是指 顯示屏在同一級(jí)亮度中， 從零灰度到最高灰度之間的等級(jí)； 刷新率是指顯示屏每秒鐘顯示數(shù) 據(jù)被重復(fù)的次數(shù)。很顯然，灰度等級(jí)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(jí)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(shè)置不同。當(dāng)然，在控制面積不變的基礎(chǔ)上， 做控制系統(tǒng)的研發(fā)人員都在為提高這兩個(gè)指標(biāo)而不懈努力， 以達(dá)到完美的顯示效果。（四）逐點(diǎn)校正技術(shù)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(diǎn)校正的能力， 加 入校正功能后能夠使顯示屏錦上添花。 當(dāng)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(jīng)過(guò)一定的使用周期后， LED 器件衰減特性引起顯示質(zhì)量下降，采用現(xiàn)場(chǎng) 校調(diào)處理技術(shù)， 每經(jīng)過(guò)一定使用周期采集顯示

12、屏各基色參數(shù)變化信息， 對(duì)顯示屏進(jìn)行一致化 校正處理，使顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷如初，白場(chǎng)完美?，F(xiàn)場(chǎng)校正技術(shù)快速、便捷，可 以保證顯示屏在整個(gè)壽命周期內(nèi)始終運(yùn)行在高畫(huà)質(zhì)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(diǎn)校正的能力。目前， 國(guó)內(nèi)自主研發(fā)亮度逐點(diǎn)校正的廠家屈指可數(shù)， 而自主研發(fā)亮度、 色度逐點(diǎn)校正的廠家 就更少了。 由于逐點(diǎn)亮度、色度校正的需要， 在相應(yīng)的控制系統(tǒng)中必須有亮度、色度控制硬 件才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的亮度、色度校正功能。校正功能的實(shí)現(xiàn)勢(shì)必消耗一定的邏輯資源， 同時(shí)也造成了設(shè)計(jì)難度的增加， 因此， 如何采用 合理而又節(jié)省資源的設(shè)計(jì)方法，是 LED 行業(yè)目前重點(diǎn)研究的課題之一。

13、（五）環(huán)境監(jiān)測(cè)隨著用戶(hù)的要求越來(lái)越多， 也是出于對(duì)顯示屏的安全正確使用， 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越受到人 們的重視， 尤其是對(duì)戶(hù)外顯示屏。 環(huán)境監(jiān)測(cè)主要包括監(jiān)測(cè)顯示屏內(nèi)部的溫度、 環(huán)境光的亮度、 環(huán)境的濕度、顯示屏內(nèi)部的煙霧等，同時(shí)監(jiān)控室內(nèi)也需要實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示屏播放的內(nèi)容。當(dāng)顯示屏的溫度過(guò)否則顯示屏將會(huì)處于以使顯示屏的發(fā)光亮監(jiān)測(cè)顯示屏內(nèi)部的溫度主要是為了確保顯示屏處于一個(gè)安全的工作溫度， 高時(shí)必須采取措施， 比如說(shuō)打開(kāi)空調(diào)、風(fēng)機(jī)， 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(cè)環(huán)境光的亮度是為了在不同的環(huán)境光下合理的調(diào)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(gè)合理的濕度范圍內(nèi)工作， 尤其是在顯示屏上電之前， 必 須先檢測(cè)濕度是否達(dá)標(biāo)， 如果不達(dá)標(biāo)， 應(yīng)該先用風(fēng)機(jī)將干燥的空氣吹入屏體內(nèi)部， 當(dāng)濕度降 低時(shí)才能夠開(kāi)屏，否則容易造成危險(xiǎn)。 煙霧檢測(cè)主要是為了在顯示屏出現(xiàn)火災(zāi)的情況下，馬上切斷電源并報(bào)警。 屏幕監(jiān)控主要是客戶(hù)為了實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示內(nèi)容，當(dāng)屏幕出現(xiàn)故障時(shí)，便于做到及時(shí)維護(hù)。、 LED 顯示屏控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)探討 進(jìn)入 21 世紀(jì)， 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(yùn)行，操作與維護(hù)也向集成化、網(wǎng)絡(luò)化、 智能化方向發(fā)展。 21 世紀(jì)

15、的顯示技術(shù)將是平板顯示的時(shí)代，顯示屏作為平板顯示的主導(dǎo)產(chǎn) 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(lán)色及綠色超高亮度 LED 產(chǎn)品出現(xiàn)以來(lái)，成本逐年快速降低，使 LED 全彩色顯示屏產(chǎn)品 成本下降，推廣速度加快。 同時(shí)，隨著控制技術(shù)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(guò)監(jiān)控等智能設(shè)計(jì)， 讓顯示屏的能耗始終處于一個(gè)合理的運(yùn)行范圍， 達(dá)到節(jié)能減排的目的。（三）中央控制將各地的顯示屏通過(guò)一個(gè)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(hù)。（四）低成本、高性能、高穩(wěn)定性通過(guò)不斷的技術(shù)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(shí) 考慮成本的降低。（五）脫機(jī)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(mén)頭屏、室內(nèi)外的各種方形屏和