一、引言

20世紀(jì)90年代以來，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。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(shí)時(shí)數(shù)字信號遠(yuǎn)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(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(jī)控制系統(tǒng)，早期脫機(jī)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(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：操作簡單、價(jià)格低廉、使用范圍較廣。近年來，由于RISC芯片技術(shù)的迅速發(fā)展及嵌入式操作系統(tǒng)的廣泛應(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)，主要用來實(shí)時(shí)顯示視頻、圖文、信息發(fā)布等，用于室內(nèi)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(diǎn)點(diǎn)對應(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)1920×1080@60Hz，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(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的主流。

(2)以ARM為控制器的LED顯示屏，因?yàn)锳RM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，除了海量存儲技術(shù)、無線更新技術(shù)，還能實(shí)時(shí)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?yàn)镕PGA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顯示屏控制系統(tǒng)。

二、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)動級聯(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，依次級聯(lián)。接收掃描卡將截取到的數(shù)據(jù)驅(qū)動到LED控制燈板上，就可以表現(xiàn)出需要顯示的效果。

串行式架構(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)為總線型結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)總線型的結(jié)構(gòu)如果拓?fù)涮L，則會導(dǎo)致圖像同步出現(xiàn)問題，會有很嚴(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，分離開的接收卡是信息匯集的樞紐，它可以拓?fù)涠鄺l視頻總線，將單一的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改造成樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

總分式構(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，不過穩(wěn)定性和靈活性都比百兆網(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(jià)。雖然總分式構(gòu)架在靈活性上不如串行式構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)帶寬的限制。例如對于1Gbps的千兆網(wǎng)，理論上能傳輸1280×512@60Hz的視頻數(shù)據(jù)，不過實(shí)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(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。

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的干擾。光纖的傳輸距離可達(dá)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1Gbps，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。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，在追求成本方案的同時(shí)，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(fù)雜且實(shí)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(biāo)。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(fù)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(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)場校調(diào)處理技術(shù)，每經(jīng)過一定使用周期采集顯示屏各基色參數(shù)變化信息，對顯示屏進(jìn)行一致化校正處理，使顯示屏清晰、均勻、色彩鮮艷如初，白場完美。現(xiàn)場校正技術(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。

(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(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。

監(jiān)測顯示屏內(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，當(dāng)顯示屏的溫度過高時(shí)必須采取措施，比如說打開空調(diào)、風(fēng)機(jī)，或者降低顯示屏的亮度，否則顯示屏將會處于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(diào)節(jié)顯示屏的亮度，以使顯示屏的發(fā)光亮度最適合人們觀看，也起到了節(jié)能減排的目的。

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)才能夠開屏，否則容易造成危險(xiǎn)。

煙霧檢測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)。

三、LED顯示屏控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢探討

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)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，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，如各種店面用的門頭屏、室內(nèi)外的各種方形屏和其他的各種條型屏等。目前要配顯示屏必須要配接一臺電腦來更新內(nèi)容，這使得很大一部分用戶特別是廣告用戶更新節(jié)目困難。脫機(jī)控制系統(tǒng)將會配合中央控制在廣告領(lǐng)域迅速崛起。

四、結(jié)束語

LED 大屏幕的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用水平日益提高，LED 顯示屏經(jīng)歷了從單色、雙色圖文顯示屏，到圖像顯示屏，一直到今天的全彩色視頻顯示屏的發(fā)展過程。圖像顯示方面越來越細(xì)膩，控制越來越人性化，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，LED 顯示屏的市場日益壯大成熟，LED 顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)也必將得到越來越多的關(guān)注。