系統(tǒng)分析LED顯示屏應(yīng)用設(shè)計方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】系統(tǒng)分析LED顯示屏應(yīng)用設(shè)計方案本文結(jié)合LED屏品牌廠家10多年的工程經(jīng)驗，全面地分析了多功能禮堂舞臺演出和高清視頻會議顯示需求，從點距選定、像素封裝、視距確定、電路設(shè)計、安裝根底及系統(tǒng)調(diào)試等方面入手，分享關(guān)于聯(lián)誠發(fā)室內(nèi)LED顯示屏設(shè)計經(jīng)驗。

LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。LED顯示屏廣泛應(yīng)用在體育場館、商業(yè)應(yīng)用、銀行、證劵、郵政、碼頭、商場、車站、郵政、電訊、機關(guān)、監(jiān)控、學(xué)校、餐廳、酒店、娛樂、等不同戶外場所的廣告宣傳。

LED顯示屏發(fā)展已經(jīng)有20多年歷史，與其他LCD拼接、工程投影機等設(shè)備一樣，LED顯示屏從誕生開始，就伴隨著技術(shù)進步和升級換代，從起步時顯示文字內(nèi)容為主，到之后的圖文并茂及動態(tài)視頻。目前廣泛應(yīng)用在戶外廣告、舞臺表演、展覽展示、球場賽事、會議中心和指揮中心等領(lǐng)域。

本文結(jié)合LED屏品牌廠家10多年的工程經(jīng)驗，全面地分析了室內(nèi)LED顯示屏的設(shè)計、安裝、測試及維護等注意事項。這里以多功能禮堂舞臺演出實例作詳細說明：

一、項目基本情況

1.1項目建設(shè)需求

多功能禮堂舞臺演出顯示系統(tǒng)分為主屏、輔屏和會標(biāo)屏3個部分。主屏建設(shè)需求是建設(shè)大幅面、高清晰度的大屏幕，顯示多個計算機數(shù)字信號、本會場攝像、遠程監(jiān)視或異地會商的視頻信號等，實現(xiàn)攝像、講解資料、視頻會議等畫面的顯示，同時還要兼顧舞臺演出背景；輔屏建設(shè)需求是顯示一個標(biāo)清信號，實現(xiàn)會議輔助內(nèi)容的顯示，也可用作演出時的報幕、字幕等；會標(biāo)屏則需要顯示多種顏色的文字。

禮堂舞臺部分寬20m、深17m、高18m，臺口處寬15m、高7.8m；舞臺上方安裝燈光、幕布等舞臺機械裝置；臺口兩側(cè)耳墻距地面3m，寬8m，高6m。設(shè)計主屏顯示面積至少72㎡（12m×6m），屏前是主席臺會議和演出的場所，屏后則是演員通過和維護空間，排觀眾距屏至少17m；輔屏在耳墻上，顯示面積至少12㎡（4m×3m）。

二、影響室內(nèi)LED顯示屏質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)

室內(nèi)LED顯示屏在設(shè)計屏體時，要考慮顯示內(nèi)容、場地空間條件、顯示屏尺寸或像素大三個重要因素，同時要確保生產(chǎn)工藝、技術(shù)指標(biāo)等適合室內(nèi)實際應(yīng)用需求，再結(jié)合項目造價，開展合理設(shè)計。

2.1LED顯示屏點間距

視覺顆粒感主要來自人眼有一定的分辨力，在一定距離觀看兩點，當(dāng)兩點嚴(yán)密到一定程度時，人眼將無法分辨。近兩年隨著LED顯示屏制造技術(shù)的提高，小間距LED顯示屏體分辨率不斷提升，室內(nèi)顯示設(shè)計已從初始選擇的點距規(guī)格方案提升到選擇合適的點距規(guī)格方案。

表1將比較典型的聯(lián)誠發(fā)室內(nèi)LED顯示屏規(guī)格比照，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5為室內(nèi)常用規(guī)格，“P3”表示像素點距為3mm，視距為人眼分辨不出像素點顆粒的距離，但這個距離長時間觀看會損傷視力，視距為觀看屏幕舒適的距離，也是清晰的距離。

通過表1比照可以看出，P1.6、P2、P2.5三種規(guī)格，視距和視距非常接近大平板電視的觀看要求，整屏分辨率高達4800×2400，在同樣的屏體上可以顯示更清晰的畫面，但在12m寬的屏幕上顯示一個高清信號需要放大3～4倍，顯示兩個高清畫面需要放大2倍；同時高分辨率顯示需要高性能的圖像處理設(shè)備，系統(tǒng)的整體造價會很高。P4、P5兩種規(guī)格在12m寬的屏幕上無法同時顯示兩個高清畫面，不能滿足高清會議電視畫面顯示要求。P3即可滿足同時顯示兩個高清畫面的要求。根據(jù)顯示屏幕大小，終選定性價比較高的P3作為項目主屏和輔屏的顯示點距，選定P4作為會標(biāo)屏的顯示點距。

2.2封裝技術(shù)

決定LED品質(zhì)的一個因素是主要材料，如芯片、支架、膠水（環(huán)氧樹脂）、金線等，另一個因素是封裝工藝。像素封裝技術(shù)關(guān)系到整個顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果和生產(chǎn)成本、質(zhì)量穩(wěn)定性等，是選擇LED顯示屏非常關(guān)鍵的指標(biāo)之一。

室內(nèi)LED主流封裝技術(shù)主要有表貼SMD、直插DIP模式。表貼是指將封裝好的發(fā)光管粘貼在電路板上，然后開展集成電路焊接工藝加工成屏體。它散熱性好、色彩均勻，整個顯示屏可以正面維護，大大減小了維護成本和難度；同時，在封裝過程中開展填充金屬化合物，混色效果好，發(fā)光柔和，更適合室內(nèi)應(yīng)用。直插模塊是將發(fā)光管封裝成長方型，然后把紅綠蘭3個管拼在一起做成一個像素點模塊，直接安插在PCB板上焊接，工藝相對簡單、成本較低，壞點率高，主要應(yīng)用于戶外顯示屏。

室內(nèi)屏的像素構(gòu)造有表貼三合一和表貼三拼一（分離表貼）兩種方式。

三合一表貼是指紅綠藍3個發(fā)光點封裝合成在同一個發(fā)光管里面，近看是一點，放大看就是3個發(fā)光點分離的一條線，對生產(chǎn)環(huán)節(jié)的材料和工藝要求高，主要用于小間距、***度高端LED顯示屏的生產(chǎn)。

三并一表貼（分離表貼）是指紅綠藍3個發(fā)光點是分***裝的，封裝后排列成1個像素點，再封裝1個面罩保護，能防塵、防劃，并能保護發(fā)光晶片。三并一是分離表貼，三點分開供電，功耗小，且可實現(xiàn)單燈維修，成本較低。

一般來說，為了提升室內(nèi)屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術(shù)、金線封裝等。

2.3LED控制電路的設(shè)計

LED控制部分是決定顯示效果的部分，控制電路內(nèi)置高性能單片微型控制芯片?？刂破魍ㄟ^內(nèi)部控制程序向LED驅(qū)動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)，LED驅(qū)動芯片接收到信號后，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，從而對每一路紅、綠、藍LED發(fā)光芯片實現(xiàn)單獨控制。

2.3.1驅(qū)動系統(tǒng)

LED驅(qū)動部分的功能是接收顏色數(shù)據(jù)并驅(qū)動LED顯示屏按該數(shù)據(jù)所表示的亮度值顯示，通常有恒流、穩(wěn)壓、恒壓-恒流3種方式。

恒流驅(qū)動電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨負載阻值變化而變化，整個電路不怕負載短路，但嚴(yán)禁負載完全開路。穩(wěn)壓電路輸出固定電壓，輸出電流隨負載的增減而變化，整個電路不怕負載開路，但嚴(yán)禁負載完全短路。先恒壓再恒流方式是理想的驅(qū)動電路，既要檢測LED電流，又要控制LED電壓，有利于提高LED壽命，減小功耗，一般用于LED產(chǎn)品中。

2.3.2控制系統(tǒng)

LED的顯示效果取決于通過它的電流與電壓的大小、時間等，所以控制系統(tǒng)主要是控制LED的電源輸出。目前，PWM（脈沖調(diào)制）控制方式設(shè)計的LED電源，轉(zhuǎn)換效率高達80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩(wěn)定，屬于高可靠性電源。

PWM可以控制LED開和關(guān)的時間比例，通過將時間比例劃分為若干等級，使LED顯示出相應(yīng)數(shù)量的灰度等級（灰階）。三基色的灰度等級的乘積，是顯示屏理論上可以再現(xiàn)的顏色數(shù)量，一般為256級，顏色數(shù)到達16.7M，就可顯示24位真彩色的信息。

一般PWM的頻率大于100Hz，否則在觀看時會有顯示的閃爍和掃描線?，F(xiàn)在灰度等級為10位的大屏，刷新頻率大多為800～1000Hz，LED行業(yè)刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉(zhuǎn)動下，LED屏體畫面顯示穩(wěn)定無閃爍，而且在刷新率下灰階過度順滑，沒有串色。

2.3.3驅(qū)動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組合

LED作為電路的負載，與驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的電路連接關(guān)系到整個顯示屏的穩(wěn)定性，一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種方式。串聯(lián)方式是可靠性不高的連接方式，常用于低端產(chǎn)品中，在穩(wěn)壓驅(qū)動電路中，當(dāng)某一顆LED發(fā)生短路時，分配在其他LED的電壓將升高，容易造成更多損壞。

并聯(lián)方式適用于電源電壓較低的產(chǎn)品，恒流驅(qū)動電路中，當(dāng)某一顆LED斷開時，分配在其他LED的電流將增大，容易損壞電路上所有的LED。

目前為了提高產(chǎn)品的可靠性，一般采用混聯(lián)方式，串、并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配，分組并聯(lián)，再將每組串聯(lián)在一起，這樣分配在一串LED上的電壓相同，通過每一顆LED的電流也基本相同，LED亮度一致，同時在恒流輸出中增加LED溫度負反應(yīng)，防止LED溫度過高。

整個顯示屏由多個模組單元拼接而成，為了保證供電和數(shù)據(jù)的可靠性，也必須采用混聯(lián)方式，實現(xiàn)環(huán)路備份功能，當(dāng)某一路電源出現(xiàn)異常故障時，其他電源會自動開展智能均流，從而不影響到系統(tǒng)的正常使用，更有效提升系統(tǒng)的無故障運行時間，減少故障維護時間。

2.4會議攝像對屏體的特殊要求

雖然高刷新率能夠保證即使在高速攝影機的拍攝下，大屏幕仍能及時響應(yīng)，畫面轉(zhuǎn)換、過渡更平滑流暢；但在使用過程中會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攝像機鏡頭對準(zhǔn)LED

顯示屏?xí)r，偶爾會出現(xiàn)莫名其妙的水波一樣的條紋和奇怪的色彩，并且隨著拍攝角度的變化、攝像機鏡頭焦距的調(diào)節(jié)，水波紋還會發(fā)生一些變化，十分影響直播和錄制的顯示效果，這就是電視攝像數(shù)字化帶來的摩爾紋現(xiàn)象。

如果感光元件CCD（或CMOS）像素的空間頻率與影像中（LED）條紋的空間頻率接近，就會產(chǎn)生摩爾紋。既然摩爾紋現(xiàn)象是由LED顯示屏的固有構(gòu)造產(chǎn)生的，如果使摩爾紋產(chǎn)生的條件——LED顯示屏的網(wǎng)格構(gòu)造或攝像機CCD（CMOS）的網(wǎng)格構(gòu)造的其中之一消失，理論上就可以完全消除摩爾紋干擾［3］。國內(nèi)公司在LED顯示屏表面疊加一層光學(xué)處理幕，該幕由特定比例的特殊吸光材料與表面微珠透鏡涂層組成，通過光學(xué)幕的使用，使LED屏幕從原來的網(wǎng)格狀發(fā)光變?yōu)檫B續(xù)的面發(fā)光，通過對離散的LED像素點開展放大顯示，終在光學(xué)處理幕表面形成連續(xù)的高清晰圖像，在提高比照度的同時，保存了較高的清晰度，而且消除了摩爾紋現(xiàn)象。

三、室內(nèi)LED顯示屏室內(nèi)安裝設(shè)計

3.1確定安裝位置

主席臺寬15m，兩邊有側(cè)臺和側(cè)幕，設(shè)定寬12m、高6.2m的顯示屏，既不影響視頻會議顯示，又不影響演出背景顯示，采用P3.1規(guī)格的產(chǎn)品，可以顯示1個滿屏的全高清視頻圖像，也可以同時無損顯示4個高清視頻圖像。

屏體的安裝位置與視距、視角有直接關(guān)系。GB50464-20**《視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》中數(shù)據(jù)和像素中心距公式H=k？d。其中H為視距；k為視距系數(shù)，一般取345；d為字符高度，字符為16點陣漢字。根據(jù)公式計算，理想視距H=345×16×3.125=17.25m；視距為=1/2理想視距=8.6m。綜合兩個距離，結(jié)合主席臺的應(yīng)用情況、會議區(qū)攝像及電視的擺放位置，建議排首長觀看LED大屏幕的距離為18.3m。

根據(jù)人眼的視覺特性，人眼對垂直視角15°、水平視角30°的長方體看得清晰，不易疲勞。根據(jù)測算，排首長距離LED屏幕為18.3m，屏高6.2m，屏寬12m，垂直視角α=16°，水平視角β為36.3°，效果比較理想。視覺計算如圖1、圖2所示。

經(jīng)測算，大屏幕安裝在主席臺上，屏后安裝維護空間及通道5m，屏前距主席臺邊沿12m，屏體安裝距地面1.35m。

3.2安裝根底設(shè)計

LED大顯示屏都是由若干個箱體組成，業(yè)界分為簡易箱體和標(biāo)準(zhǔn)箱體（也叫防水箱體，有后蓋）。戶外的屏一般都用防水箱體，戶內(nèi)多用簡易箱體。LED芯片封裝為像素后，按照一定規(guī)則排列在電路板上，封裝并開展防水和加固處理，形成一個模組，模組分辨率一般為64×48，多個模組組合封裝在一個箱體中，就形成了箱體單元。每個箱體單元可作為獨立的顯示單元開展通電和數(shù)據(jù)顯示測試，以某品牌產(chǎn)品P3.1為例，箱體單元的參數(shù)如下：尺寸（W×H×D）為0.4m×0.3m×0.1m，分辨率為128×96，重量為5kg（40kg/㎡），平整度≤0.2mm，峰值功耗120W（1000W/㎡），平均功耗40W（330W/㎡）。

3.2.1電源設(shè)計

禮堂屬于重要場所，按二級負荷設(shè)計。該項目采用兩路電源同時供電，當(dāng)發(fā)生電力變壓器故障或線路故障時，不致中斷供電，另一路電源能負擔(dān)全部負荷。根據(jù)《視頻顯示系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合廠方設(shè)計參數(shù)，LED顯示屏滿負荷用電功率，按每平方米1000W計算。主屏、輔屏和會標(biāo)屏總負荷為110kW，平均功率為36.3kW。按照LED電源功耗設(shè)計安全規(guī)范，電源功率設(shè)計時要留有余量，一般電源的功率=LED的功率×1.2，則項目中LED顯示屏的總功耗為132kW。

LED器件抗浪涌的能力是比較差的，特別是抗反向電壓的能力。在電源設(shè)計時，一是要設(shè)計智能配電箱，能夠?qū)崟r監(jiān)測整個LED顯示屏的負載運行情況，二是在配電前端安裝UPS或凈化電源，三是對電源線開展合理的規(guī)劃。項目的電源配置考慮到UPS的功率因數(shù)和運行效率，UPS額定功率為132/0.8=165kV·A，電源型號為GES-NT160kV·A模塊化UPS。在地下一層配電室安裝160kV·AUPS和蓄電池柜（后備時間0.5h），從總配電匯流銅排壓線引接120m㎡4+1電纜至UPS輸入輸出配電柜350A空開，直接引接至UPS輸入，UPS輸出引接至UPS輸入輸出配電柜300A空開，下引90m㎡4+1電纜引接至LED大屏智能配電箱。

3.2.2LED箱體安裝

LED顯示屏箱體有鐵箱體、鋁箱體和壓鑄鋁箱體，3種箱體應(yīng)用于不同場合。壓鑄鋁箱體主要用于高端和租賃，其特點是：模塊化，連接簡單，無風(fēng)扇自然散熱，超靜音，效果較好，本項目采用的是壓鑄鋁箱體。箱體安裝維護支架為寬12m、高6.85m、深0.8m，主屏箱體重量為2976kg，箱體維護支架重量與箱體重量大致相同，整個屏體安裝總重量為6t，承重面積為9.6㎡（12m×0.8m），每平方米要承受625kg的重量，因為舞臺下面為沒有支撐立柱的地下室，所以需要在LED屏體下面安裝一個12m×1.2m的承載根底，擴大承重面積。輔屏重量為480kg，耳墻中部有橫梁，填充部分為空心磚，先在橫梁上安裝承重框架，而后把箱體固定到框架上。

LED顯示屏鋼構(gòu)造架體應(yīng)嚴(yán)格按照確認后的設(shè)計圖紙、《鋼構(gòu)造工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-20**）及其他現(xiàn)行施工驗收規(guī)范要求開展施工，框架、支撐架、顯示屏箱體、控制器箱體等產(chǎn)品構(gòu)件應(yīng)安裝牢固、構(gòu)造穩(wěn)定、邊角過渡圓滑，無飛邊、無毛刺，各種固定螺栓緊固，金屬構(gòu)件需接地良好。在北方，人體靜電、電路靜電都會給LED顯示屏帶來意外傷害，要可靠地實現(xiàn)工作接地，把數(shù)字電路等電位與大地相接，建立LED顯示屏系統(tǒng)靜電荷泄放通道。

3.3系統(tǒng)安裝調(diào)試

LED顯示屏發(fā)展到小間距、***度TV屏，物理像素間距已經(jīng)不是制約其顯示清晰度的主要因素，不能用高顯示分辨率替代清晰度。顯示屏的清晰度是人眼對顯示屏分辨率、均勻性、亮度、比照度等多項因素綜合的主觀感受，而要到達主觀感受的一致性，首先要LED各項性能參數(shù)一致。這就要在前期元器件篩選、LED參數(shù)細分的根底上，開展后續(xù)的校正。

3.3.1屏體像素亮度、色度