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机 械 工 业 出 版 社 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 3． 1 LED 显示屏应用基础 3． 1． 1 LED 显示屏的结构 LED 显示屏是利用 LED 作为发光体制作的平板矩阵 显示器 LED 具有光电转换效率高、 驱动电压低、 易于 与计算机接口、 使用寿命长的特性, 屏幕的大小可按需要 无缝拼接 1． LED 显示屏的组成 LED 显示屏通常由若干 LED 点阵显示模块组成, 用 于显示 8 ×8 单色 LED 显示点阵模块, 每块有 64 个 LED 为了减少引脚且便于封装, LED 显示点阵模块采用阵列 形式排布, 即在行线与列线的交点处接有 LED 显示 8 ×8 LED 点阵的外观、 引脚及等效电路如图 3-1 所示 LED 点阵显示模块的显示一般采用动态扫描驱动方 式, 每次最多只能点亮一行 LED 微处理器通过和驱动器 351 图 3-1 8 ×8 LED 点阵的外观、 引脚及等效电路 的协同工作来完成对每一个 LED 点阵显示模块内每个 LED 显示点的亮、 熄灭控制操作 2． LED 显示屏系统的组成 LED 显示屏系统一般由显示屏本体、 显示屏控制系 统、 外围设备等组成。

其中, 显示屏本体包括 LED 发光 451 显示单元和电源; 显示屏控制系统包括主控器、 分配卡、 HUB 卡、 专用显卡、 编辑卡、 播放软件等; 外围设备包 括电脑、 功放机、 音响、 摄像机、 打印机、 防雷器和其他 相关软件 LED 发光显示单元均由 LED 矩阵块或者 LED 模组组 成, 若干个可组合拼接的显示单元 (单元显示板或单元 显示模组) 按照一定的方式连接在一起就构成了屏幕 再将屏幕放置在箱体中予以固定, 最后配上一套适当的控 制器 (主控板或控制系统), 就组成了一个完整的 LED 显 示屏 室外 LED 全彩显示屏的组成如图 3-2 所示, 室内 LED 全彩显示屏的组成如图 3-3 所示 多种规格的显示板 (或单元箱体) 配合不同控制技 术的控制器, 就可以组成许多种 LED 显示屏, 以满足不 同环境、 不同显示要求的需要 LED 显示屏的基本构成 下面以较为复杂的同步视频屏为例介绍其基本构成 (1) 金属结构框架: 户内屏一般由铝合金 (角铝或 铝方管) 构成内框架, 搭载显示板等各种电路板以及开 关电源, 外边框采用茶色铝合金方管, 或铝合金包不锈 钢, 或钣金一体化制成。

户外屏框架根据屏体大小及承重 能力一般为角钢或工字钢构成, 外框可采用铝塑板进行 装饰 551 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 图 3-2 室外 LED 全彩显示屏的组成 (2) 显示单元: 由发光材料及驱动电路构成 户内 屏就是各种规格的单元显示板, 户外屏就是单元箱体 显 示单元的作用一般由带有灰度级控制功能的移位寄存器、 锁存器构成, 只是视频 LED 显示屏的规模往往更大, 通 651 图 3-3 室内 LED 全彩显示屏 常使用集成规模超大规模的集成电路 显示单元是 LED 显示屏的主体部分, 应用于显示屏 的 LED 发光材料有以下三种形式 1) LED 发光灯 (或称单灯): 一般由单个 LED 晶 片、 反光碗、 金属阳极、 金属阴极构成, 外包具有透光 聚光能力的环氧树脂外壳 可用一个或多个 (不同颜色 的) 单灯构成一个基本像素, 由于亮度高, 多用于户外 显示屏 2) LED 点阵模块: 由若干晶片构成发光矩阵, 用环 氧树脂封装于塑料壳内 适合行列扫描驱动, 容易构成高 密度的显示屏, 多用于户内显示屏 3) 贴片式 LED 发光灯 (或称 SMD LED): 就是 LED 发光灯的贴焊形式的封装, 可用于户内全彩色显示屏, 可 751 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 实现单点维护, 有效克服马赛克现象。

4) 亚表贴: 将红绿蓝三只灯分别封装成长方型, 然 后按次序排列在一条直线上 构成像素 点, 以点间 距 7． 625mm、 8mm、 10mm、 12mm 的方式均匀分布在单元板 上构成的显示屏 亚表贴屏亮度高于表贴屏 目前, 室内全彩 LED 显示屏方案有点阵模块方案、 单灯方案、 贴片方案和亚表贴方案四种, 这四种方案优缺 点的比较见表 3-1 表 3-1 室内全彩 LED 显示屏方案的比较 方 案优 势缺 点说 明 点阵模 块方案 原材料成本最有 优势, 且生产加工 工 艺 简 单, 质 量 稳定 色彩一致性 差, 马 赛 克 现 象 较 严 重, 显 示效果较差 最 早 的 设 计 方 案, 由室内伪彩点 阵屏发展而来 单灯 方案 色彩一致性比点 阵模块方式好 混色效果不 佳, 视角不大, 水平方向左右 观 看 有 色 差 加 工 较 复 杂, 抗静电要求高 实际像素分辨 率 做 到 10000 点以上较难 为解决点阵屏色 彩问题, 借鉴户外 显示屏技术的一种 方案, 同时将户外 的像 素 复 用 技 术 (又叫像素共享技 术、 虚 拟 像 素 技 术) 移 植 到 了 室 内显示屏 851 (续) 方 案优 势缺 点说 明 亚表贴 方案 在显示色彩一致 性, 视角等首要指 标和贴片方案差别 不大, 但成本较低, 显示效果很好, 分 辨率理论上可以做 到 17200 点以上 加工还是较 复 杂, 抗 静 电 要求高 实际上是单灯方 案的一种改进, 现 在还在完善之中 贴片 方案 色彩一致性、 视 角等重要显示指标 是现有方案里最好 的一种, 特别是三 合一表贴的混色效 果非常好 加工工艺麻 烦, 成本太高 采用贴片发光管 为显示元件的方案 (3) 扫描板: 扫描板所起的作用正所谓承上启下, 一方面它接受主控制器的视频信号, 另一方面把属于本级 数据传送给自己的各个显示控制单元, 同时还要把不属于 本级的数据向下一个级联的扫描板传输。

(4) 开关电源: 将 220V 交流电变为各种直流电提供 给各种电路 (5) 双绞线传输电缆: 主控制器产生的显示数据及 各种控制信号由双绞线电缆传输至屏体 (6) 主控制器: 从计算机显示卡获取一屏各像素的 各色亮度数据, 然后分配给若干块扫描板, 每块扫描板 951 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 负责 控 制 LED 显 示 屏 上 的 若 干 行 ( 列), 而 每 一 行 (列) 上的 LED 显示信号则用串行方式通过本行的各个 显示控制单元级联传输, 每个显示控制单元直接面向 LED 显示屏体 主控制器所做的工作, 是把计算机显示 卡的信号转换成 LED 显示屏所需要的数据和控制信号 格式 (7) 专用显示卡及多媒体卡: 除具有电脑显示卡的 基本功能外, 还同时输出数字 RGB 信号及行、 场、 消隐 等信号给主控制器 多媒体除以上功能外, 还可将输入的 模拟 Video 信号变为数字 RGB 信号 (即视频采集) (8) 电脑及其外围设备 (9) 其他信息源: 电视机、 DVD/ VCD 机、 摄/ 录像 机及切换矩阵等 3． LED 显示屏的组装方式 (1) 框架结构式组装 1) 屏幕较小时, 一般由工厂组装成整屏。

2) 屏幕较大时, 按单元板发货 由工程人员在现场 组装 组装时, 先将单元板和电源分别固定在板筋背条 上, 最后拼装成屏体 (2) 箱体结构式组装 箱体与箱体之间采用定位销定位、 锁紧机构拉紧, 能 使安装更加精密、 准确, 保证箱体上下、 左右之间的 LED 间距在实际误差要求范围之内, 从整体上保证了整个屏体 的显示效果 061 3． 1． 2 LED 显示屏的有关术语 1． 实像素和虚拟像素 实像素是指显示屏上的物理像素点数和实际显示的像 素点是 1∶ 1 的关系, 显示屏实际有多少点, 只能显示多少 点的图像信息 虚拟像素就是指显示屏的物理像素点数和 实际显示的像素点数是 1∶ N(N = 2、 4) 的关系, 它能显 示的图像像素比显示屏的实际像素多 2 倍或者 4 倍 虚拟像素按照虚拟的方式可分为: 软件虚拟与硬件虚 拟; 按照倍数关系分为 2 倍虚拟和 4 倍虚拟; 按照一个模 组上的排灯方式分为: 1R1G1B 虚拟和 2R1G1B 虚拟 实像素屏与虚拟屏是相对应的 简单来说, 实像素屏 就是指构成显示屏的红、 绿、 蓝三种发光管中的每一种发 光管最终只参与一个像素的成像使用, 以获得足够的亮 度。

虚拟屏则是利用软件算法控制每种颜色的发光管最终 参与到多个相邻像素的成像当中, 从而使得用较少的灯管 实现较大的分辨率, 能够使显示分辨率约提高 4 倍 大家 知道, 显示屏中成本支出最大的在于灯管, 如何在不损失 亮度的情况下为用户节省灯管成本, 是显示技术追求的目 标之一 而虚拟技术正是一个发展方向, 就要求控制系统 与驱动芯片的配合, 利用软件算法与驱动芯片的响应时间 相结合, 达到在基本无损亮度的前提下, 节约灯管成本的 161 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 目的 2． 像素失控率 像素失控率是指显示屏的最小成像单元 (像素) 工 作不正常 (失控) 所占的比例 而像素失控有两种模式: 一是盲点, 也就是瞎点, 在需要亮的时候它不亮, 称之为 瞎点; 二是常亮点, 在需要不亮的时候它反而一直在亮 着, 称之为常亮点 一般来说, 像素的组成有 2R1G1B (2 颗红灯、 1 颗 绿灯和 1 颗蓝灯, 下述同理)、 1R1G1B、 2R1G、 3R6G 等, 而失控一般不会是同一个像素里的红、 绿、 蓝灯同时 全部失控, 但只要其中一颗灯失控, 即认为此像素失控。

为简单起见, 可按 LED 显示屏的各基色 (即红、 绿、 蓝) 分别进行失控像素的统计和计算, 取其中的最大值作为显 示屏的像素失控率 失控的像素数占全屏像素总数之比, 称之为 “整屏 像素失控率” 另外, 为避免失控像素集中于某一个区 域, 又提出 “区域像素失控率” 的概念, 即在 100 × 100 像素区域内, 失控的像素数与区域像素总数 (即10000) 之 比 此指标对 《LED 显示屏通用规范》 SJ/ T11141—2003中 “失控的像素是呈离散分布” 要求进行了量化, 方便 直观 目前国内的 LED 显示屏在出厂前均已进行老化 (烤 261 机), 对失控像素的 LED 灯都会维修更换, “整屏像素失 控率” 控制在 1/104 之内、“区域像素失控率” 控制在 3/104之内是没问题的, 甚至有的个别厂家的企业标准要 求出厂前不允许出现失控像素, 但这势必会增加生产厂家 的制造维修成本和延长出货时间 在不同的应用场合下, 像素失控率的实际要求可以有较大的差别, 一般来说, LED 显示屏用于视频播放, 指标要求控制在 1/104 之内是 可以接受, 也是可以达到的; 若用于简单的字符信息发 布, 指标要求控制在 12/104 之内是合理的。

3． 灰度等级 LED 显示屏同一级亮度中从最暗到最亮之间能区别 的亮度级数 灰度也就是所谓的色阶或灰阶, 是指亮度的 明暗程度 对于数字化的显示技术而言, 灰度是显示色彩 数的决定因素 一般而言灰度越高, 显示的色彩越丰富, 画面也越细腻, 更易表现丰富的细节 灰度等级主要取决于系统的 A-D 转换位数 当然系 统的视频处理芯片、 存储器以及传输系统都要提供相应位 数的支持才行 灰度等级一般为无灰度、 8 级、 16 级、 32 级、 64 级、 128 级、 256 级等 LED 显示屏的灰度等级越 高, 颜色越丰富, 色彩越艳丽; 反之, 显示颜色单一, 变 化简单 灰度虽然是决定色彩数的决定因素, 但并不是说无限 361 第 3 章 LED 显示屏工程应用与施工技术 制越大越好 因为首先人眼的分辨率是有限的, 其次是系 统处理位数的提高会牵涉到系统视。