基于LED圖文顯示屏控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

LED顯示屏控制系統(tǒng)(LED Display Control System)，又稱(chēng)LED顯示屏控制器、LED顯示屏控制卡。它是組成LED顯示屏的核心部件、主要負(fù)責(zé)責(zé)接收來(lái)自計(jì)算機(jī)串行口或DVI接口的畫(huà)面及視頻顯示信息，置入幀存儲(chǔ)器，按分區(qū)驅(qū)動(dòng)方式生成LED顯示屏所能識(shí)別的串行顯示數(shù)據(jù)和掃描控制時(shí)序。

通過(guò)對(duì)點(diǎn)陣模塊和控制電路的分析，確定LED顯示屏的部件構(gòu)成；通過(guò)對(duì)單片機(jī)及智能控制模塊的分析，確定LED顯示屏的組成結(jié)構(gòu)和掃描驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的顯示。

根據(jù)LED顯示屏控制系統(tǒng)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了LED圖文顯示屏的體系結(jié)構(gòu)和工作流程。其中軟件系統(tǒng)與無(wú)線(xiàn)傳輸控制硬件主系統(tǒng)之間采用串行通訊方式完成程序下載，實(shí)現(xiàn)文本信息的傳輸。

1 LED顯示屏控制系統(tǒng)整體分析

LED顯示屏系統(tǒng)組成 LED圖文顯示屏系統(tǒng)由軟件控制系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)、設(shè)備主控制器、LED顯示點(diǎn)陣、電源等部分組成。基本結(jié)構(gòu)如下圖：

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圖1 LED顯示屏總體框架

系統(tǒng)工作過(guò)程： 軟件控制系統(tǒng)主要完成的任務(wù)為圖文編輯、字模提取與保存、圖像預(yù)覽與文件傳輸；無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)主要完成文件信息由PC機(jī)傳輸至LED顯示器，硬件控制系統(tǒng)中LED點(diǎn)陣主要任務(wù)是通過(guò)電流控制完成信息顯示，通過(guò)單片機(jī)的掃描驅(qū)動(dòng)方式的控制對(duì)LED點(diǎn)陣行列驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)并最終實(shí)現(xiàn)接收的圖文顯示功能。

2 計(jì)算機(jī)軟件模塊分析與設(shè)計(jì)

軟件模塊分為編輯部分和控制通訊部分，編輯部分實(shí)現(xiàn)圖文文件的編輯功能，通訊部分通過(guò)RS-232C串口通訊完成文件到單片機(jī)存儲(chǔ)模塊的傳輸。通訊部分將在第三章做詳細(xì)的介紹。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Windows操作系統(tǒng)下，開(kāi)啟文本編輯窗口，客戶(hù)區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)采用與實(shí)際LED點(diǎn)陣顯示屏像素點(diǎn)相同，功能類(lèi)似Word文檔編輯工具，包括編輯模塊、繪圖模塊、文字編輯模塊、顏色控制模塊、顯示效果加載模塊、預(yù)覽模塊、信息下載模塊。

2.1編輯模塊

1)除Windows自生成的剪貼、復(fù)制、粘貼功能，系統(tǒng)加入了撤消、重復(fù)功能。

首先。選中撤消功能可以實(shí)現(xiàn)之前編輯工作的一步步取消功能。然后，選中重復(fù)功能可以實(shí)現(xiàn)之前編輯工作的最近的一條操作命令。

2)繪圖：包括直線(xiàn)、矩形、橢圓、圓等在內(nèi)的圖形繪制功能。

3)文字編輯：包括各種字體、字形、字號(hào)、效果、顏色的文字的編輯，并且根據(jù)應(yīng)用的 特殊用途，加入指定位置文字的編輯。

首先，選中文字功能，彈出字體選擇框體，可以選擇各種字體的文字進(jìn)行編輯。之后，調(diào)出具體文字位置編輯對(duì)話(huà)框，輸入文字和要求顯示位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

4)顏色控制模塊：由于應(yīng)用領(lǐng)域的具體特點(diǎn)，主要采用了紅、綠、黃三種顏色，可以實(shí) 現(xiàn)顏色控制。

2.2 增添效果模塊：通過(guò)增添顯示效果和傳輸通訊中多屏文件單屏傳送，完善了控制系統(tǒng)的功能。

1)普通效果，靜態(tài)的顯示屏幕上的信息。

2)滾動(dòng)效果，可以實(shí)現(xiàn)從左向右的信息滾動(dòng)顯示，可以與靜態(tài)信息穿插顯示。

3)單屏信息傳輸，實(shí)現(xiàn)編輯待傳輸信息的保存。

4)多屏信息傳輸，實(shí)現(xiàn)編輯保存好的單屏信息合并保存成一個(gè)文件，大大減少傳輸文件 時(shí)的煩瑣。

2.3 圖像預(yù)覽模塊：在文件傳輸之前實(shí)現(xiàn)字模信息的預(yù)覽功能，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)覽傳輸前所保存 的任何形式的字模信息，并且直接集成到工具欄文件打開(kāi)功能鍵按鈕。

1)顯示效果，通過(guò)文件傳輸前的預(yù)覽，可以調(diào)整靜態(tài)與滾動(dòng)顯示效果的排列順序。

2)顯示時(shí)間，顯示不同屏幕顯示信息之間的時(shí)間間隔。 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖如下：

圖3軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

3 LED顯示屏的控制技術(shù)

隨著第五代“陣列式”控制系統(tǒng)的研制并投入使用，此代控制系統(tǒng)的誕生又提高了元亨光電在屏體控制方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并使顯示信號(hào)的處理技術(shù)得到進(jìn)一步的改進(jìn)。 采用了“陣列式”控制系統(tǒng)之后。

首先，可以將顯示屏的換幀頻率由現(xiàn)在的60Hz左右提高到120Hz以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人的眼睛分辨能力，使人在觀看時(shí)無(wú)任何頻閃和水波紋現(xiàn)象出現(xiàn)，提高了顯示的質(zhì)量。

其次，可以將顯示屏紅、綠、藍(lán)三基色的灰度級(jí)別從現(xiàn)在的256級(jí)提高到1024級(jí)，使顏色更加鮮艷，色彩還原性更好，顯示的圖像更真實(shí)。

最后，采用LDVS信號(hào)進(jìn)行傳送，最大化地避免了信號(hào)的損失，使整個(gè)顯示屏顯示內(nèi)容同步，提高了顯示屏的一致性，整個(gè)顯示屏無(wú)任何色差色塊出現(xiàn)。

3.1 節(jié)能降耗技術(shù)

由于采用了陣列式控制系統(tǒng)，故能夠有效降低控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生灰度造成的顯示屏亮度的損耗，據(jù)比較測(cè)算，傳統(tǒng)的“集中式控制系統(tǒng)”的系統(tǒng)損耗在30%~40%之間，“陣列式控制系統(tǒng)”的系統(tǒng)損耗在8%~10%之間，控制系統(tǒng)損耗的降低，有利于提高顯示屏的亮度，或者在同樣的亮度條件要求下，降低顯示屏的電流，從而達(dá)到節(jié)能降耗的效果。集中式控制系統(tǒng)，由于控制范圍大，為了保持一定的刷新率，不得不采用降低掃描次數(shù)，減低亮度來(lái)形成灰度；由于陣列式控制系統(tǒng)控制范圍小，可以大幅提高掃描次數(shù)，亮度損失隨之變小。陣列式系統(tǒng)的掃描次數(shù)，可以達(dá)到136場(chǎng)以上，而集中式最多能達(dá)到42場(chǎng)。

根據(jù)亮度損耗原理，計(jì)算表格比較如下：一塊200平方米的3906點(diǎn)/平方米規(guī)格的戶(hù)外全彩色顯示屏，如采用20mA的驅(qū)動(dòng)電流，理論最大亮度可以達(dá)到15000cd/m2,如果要達(dá)到6000cd/m2的最大實(shí)際亮度，采用“集中式控制系統(tǒng)”,按照30%的系統(tǒng)損耗，則顯示屏驅(qū)動(dòng)電流為11.4mA/像素點(diǎn)，供電最大電流為607A；如果采用“陣列式控制系統(tǒng)”,達(dá)到6000cd/ m2的最大實(shí)際亮度，按照10%的系統(tǒng)損耗，則顯示屏驅(qū)動(dòng)電流為8.89mA/像素點(diǎn)，最大電流為474A,節(jié)能幅度達(dá)到21.9%. 按照平均功耗是最大功耗的40%計(jì)算，每天按照10小時(shí)使用時(shí)間，每年300天計(jì)算，采用“集中式控制系統(tǒng)”每年耗電量為160248度。采用“陣列式控制系統(tǒng)”每年耗電量為125136度，節(jié)約開(kāi)支約35112元/年(按每度電1.0元計(jì)算)

3.2 單點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)

為提高屏體可靠性，增加維護(hù)的便捷性，元亨光電特研發(fā)出顯示屏單點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)。通常LED顯示屏出廠(chǎng)前對(duì)LED像素的檢測(cè)是通過(guò)目測(cè)(即人眼觀看其是否按調(diào)試程序發(fā)光)，在長(zhǎng)時(shí)間觀看LED像素時(shí)，難免有一定視覺(jué)疲勞，漏判或誤判，其工作效率也不高。現(xiàn)在我司使用屏體單點(diǎn)檢測(cè)功能，只需運(yùn)行相應(yīng)程序，即可判斷出像素的工作狀態(tài)，從而進(jìn)行修復(fù)，大大提高了屏體的可靠性。同時(shí)，隨著LED顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，超大型LED屏涌現(xiàn)市場(chǎng)。此類(lèi)屏體一般安裝位置較高，觀看距離較遠(yuǎn)，為顯示屏的檢測(cè)工作帶來(lái)不便。對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的判斷往往只能根據(jù)人為判斷，在運(yùn)用單點(diǎn)檢測(cè)功能后，維護(hù)人員可方便的查找出故障點(diǎn)的坐標(biāo)，快捷更換。

3.3 單點(diǎn)亮度與色度校正技術(shù)

LED顯示屏亮度色度均勻性問(wèn)題一直以來(lái)是困擾業(yè)內(nèi)人士的一大難題，一般認(rèn)為L(zhǎng)ED的亮度不均勻可以進(jìn)行單點(diǎn)校正，來(lái)改善亮度均勻性，而色度不均勻是無(wú)法進(jìn)行校正的，只能通過(guò)對(duì)LED色坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分和篩選來(lái)改善。 隨著人們對(duì)LED顯示屏的要求越來(lái)越高，只對(duì)LED色坐標(biāo)進(jìn)行細(xì)分和篩選已無(wú)法滿(mǎn)足人們挑剔的目光，對(duì)顯示屏進(jìn)行綜合校正處理，使色度均勻性得到改善是可實(shí)現(xiàn)的。首先，由于LED自身的不同導(dǎo)致在一定水平上的亮度和色度是不一致的(例如：使用同樣的電流點(diǎn)亮同一生產(chǎn)批次的兩個(gè)綠色LED,亮度可能會(huì)有30%的變化，波長(zhǎng)可能會(huì)有10-15nm的變化)。其次，使用一段時(shí)間以后藍(lán)色LED變暗程度最大，紅色最小，但是最大的問(wèn)題是一段時(shí)間以后LED變暗程度不同。因此，即使LED屏在工廠(chǎng)內(nèi)是一致性非常完美的，但隨著LED的變暗，一致性也會(huì)喪失，在不停使用三年以后LED屏的不一致性將會(huì)被顯著的發(fā)現(xiàn)。為此，元亨光電使用世界先進(jìn)的單色亮度與色度校正技術(shù)(也稱(chēng)之為：亮度與色度簽名技術(shù))，用以解決由于不同顏色發(fā)光二極管衰減不一致帶來(lái)的顯色顏色不一致問(wèn)題。

從顯示技術(shù)上說(shuō)，LCD是由液態(tài)晶體組成的顯示屏，LED是由發(fā)光二極管組成的顯示屏。LED數(shù)碼顯示中每一個(gè)像素單元就是一個(gè)發(fā)光二極管，單色LED顯示屏一般是紅色發(fā)光二極管。

4 總結(jié)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)LED顯示屏技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，我國(guó)LED顯示屏已占據(jù)全球80%的市場(chǎng)，然而引領(lǐng)顯示屏的發(fā)展并非在我國(guó)。為此，雷迪森光電等業(yè)內(nèi)LED廠(chǎng)家將積極發(fā)展、提升LED技術(shù)。LED顯示屏軟件控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，確定了系統(tǒng)上作流程，完成了系統(tǒng)軟件控制功能。根據(jù)具體設(shè)備通訊要求，采用串口通訊技術(shù)，通過(guò)介紹端口通訊以及串口通訊協(xié)議的相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與硬件設(shè)備部分的通訊，完成實(shí)現(xiàn)LED顯示屏的文本信息傳輸功能。LED顯示屏的技術(shù)控制是決定產(chǎn)品優(yōu)劣的重要保證。