显示屏的结构与工作原理

第5章　LED显示技术

LED的应用非常广泛，根据其产品的应用场合分类，一般可分为照明和信息显示两大领域。信息显示是LED最早得以应用的领域。随着LED技术的日益成熟，LED在显示领域的应用也从最初的只能显示数字和简单文字的LED数码管发展到目前以真彩色同步视频显示屏为代表的多样化产品。本章主要内容包括LED显示领域的产品分类、LED显示屏的结构和显示原理、LED显示屏的设计和安装方法等知识。

5．1　LED显示屏的发展、应用与优势

1．LED显示屏的发展

目前，由于LED显示屏已经发展到以LED点阵等方式的灯珠排布为主的大屏幕阶段，所以LED显示屏通常是指不同形式的大屏幕。LED显示屏的发展主要经历了以下几个阶段。

1）单色LED显示屏

单色LED显示屏以单红色为基色，显示文字及简单图案为主，主要用于通知、通告及客流引导系统。

2）双基色多灰度显示屏

双基色多灰度显示屏以红色及黄绿色为基色，因为没有蓝色，所以只能称其为伪彩色，可以显示多灰度图像及视频。目前，双基色多灰度显示屏广泛应用于电信、银行、税务、医院、政府机构等领域，主要显示标语、公益广告及形象宣传信息。

3）全彩色多灰度显示屏

全彩色多灰度显示屏以红色、蓝色及黄绿色为基色，可以显示较为真实的图像。

4）真彩色多灰度显示屏

真彩色多灰度显示屏以红色、蓝色及纯绿色为基色，可以真实再现自然界的一切色彩（在色坐标上甚至超过了自然色彩范围）。真彩色多灰度显示屏可以显示各种视频图像及彩色广告，其艳丽的色彩，鲜亮的高亮度，细腻的对比度，在宣传广告领域具有极好的视觉效果。真彩色5mm户内大屏幕属于第四代产品，它具有高亮度，不受环境亮度影响，厚度薄，占用场地小，色彩鲜艳、丰富，视角宽，没有拼接图像损失，可以应用在宽敞的厅堂。

2．LED显示屏的应用

LED显示屏应用于社会经济的许多领域，主要包括：

（1）显示证券交易所的金融信息；

（2）显示机场的航班信息、汽车站的动态信息；

（3）显示港口、车站旅客的引导信息；

（4）显示体育场馆信息；

（5）显示道路交通信息；

（6）显示调度指挥中心信息；

（7）显示邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传信息；

（8）显示广告媒体新产品信息；

（9）显示演出和集会的相关信息；

（10）显示展览和租赁的相关信息；

（11）显示学校和医院的相关信息。

3．LED显示屏的优势

LED显示屏具有其他显示屏所无法比拟的技术优越性，是集光电子技术、微电子技术、计算机技术、视频技术为一体的高科技产品。它的发光部分由LED灯珠拼装组成，其特点是耗电量少、亮度高、工作电压低、功耗小、微型化、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。显示屏面积可以根据需要由单元模块任意拼装，以其变化丰富的色彩，图案实时动态的显示模式，完美的多媒体效果，强大的视觉冲击力将信息、文字、图片、动画、视频等多种方式显示出来，成为信息传播的划时代产品。

较之CRT显示器、液晶显示器等传统的显示器件，LED显示屏的优势主要体现在以下几个方面。

（1）使用寿命长。发光二极管的使用寿命在10万小时以上。

（2）响应速度快。这是半导体器件共有的特点。

（3）可视距离远。LED的单点直径可达52mm，可视距离达500m甚至以上。

（4）可视角度大。室内显示屏的可视角度可达160°，户外的可达120°。

（5）规格品种多。LED显示屏有室内的、户外的，有单色的、双色的、全彩色的。

（6）数字化程度高。全数字化，可实现高分辨率图形方式。

（7）亮度高。可用于户外，如交通灯、防雾灯等，并且亮度可以根据晴天和阴天或上午、下午的不同亮度需求自动灵活调节。

（8）功耗低。每平方米最大功耗不超过800W。

（9）维修方便。模块化设计、安装、维护方便，可带电维修。

（10）格式灵活。可由用户任意编排显示模式。

（11）内容丰富。可显示文字、图表、图像、动画、视频信息。

（12）使用计算机进行控制，操作方便灵活，画面清晰稳定。

（13）既可以显示文字又可以显示图形图像，字体、字形变化丰富。

（14）视频功能先进，显示屏除可显示图文信息外，还可外接DVD等设备，播放电视画面。

（15）显示屏联网。利用一台微机可以同时控制多个显示屏显示不同的内容，显示屏可脱机工作。

5．2　LED显示屏的分类与特性参数

5．2．1　LED显示屏的分类

LED显示屏可按照使用环境、显示颜色及显示功能进行分类，如表5．1所示。

表5．1　LED显示屏的分类

实际应用中，LED显示屏的分类方法还可进一步细化，各种分类方法和各类别的特性介绍如下。

1．按使用环境分类

LED显示屏按使用环境可分为户内屏、户外屏和半户外屏。

户内屏面积一般从不足一平方米到十几平方米，点密度较高，在非阳光直射或灯光照明环境中使用，观看距离在几米以外，屏体不具备密封防水功能。

户外屏面积一般从几平方米到几十平方米甚至上百平方米，点密度较稀（多为1000～4000d／m2），发光亮度为3000～6000cd／m2（朝向不同，对亮度要求也不同），可在阳光直射条件下使用，观看距离在几十米以外，屏体具有良好的防风抗雨及防雷能力。

半户外屏介于户外屏和户内屏两者之间，具有较高的发光亮度，可在非阳光直射的户外使用，屏体有一定的密封性，一般放在屋檐下或橱窗内。

2．按显示颜色分类

LED显示屏按显示颜色可分为单色屏、双基色屏、三基色屏。

单色屏是指只有一种颜色的发光材料，常用的有单红色屏。

双基色屏一般由红色和黄绿色发光材料构成。

三基色屏又可分为：全彩色屏，由红色、黄绿色（波长为570nm）和蓝色构成；真彩色屏，由红色、纯绿色（波长为525nm）和蓝色构成。

目前，全彩色屏和真彩色屏的实现方案有两种，即三合一方案和三拼一方案，前者是将发出R、G、B三种颜色的三块芯片封装在一颗灯珠中，后者采用R、G、B三种颜色的灯珠拼成一个发光单元。

3．按显示器件类别分类

LED显示屏按显示器件类别可分为LED数码显示屏、LED点阵图文显示屏和LED视频显示屏。

LED数码显示屏：显示器件为7段码数码管，适用于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。

LED点阵图文显示屏：显示器件由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适用于播放文字、图像信息。

LED视频显示屏：显示器件由许多发光二极管构成，可以显示视频、动画等各种视频文件。

这种分类方式同时也区分了LED显示屏所显示的内容，因为不同的内容需采用与之相适应的显示方式。

根据LED显示屏像素采用的灯珠类型，还可分为表贴屏和亚表贴屏，前者由贴片式灯珠构成，后者由直插式灯珠构成。

4．按控制方式分类

LED显示屏按控制方式可分为同步屏和异步屏。

同步屏是指LED显示屏的工作方式基本等同于计算机的监视器，它以至少30场／秒的更新速率点点对应地实时映射计算机监视器上的图像，通常具有多灰度的颜色显示能力，可达到多媒体的宣传广告效果。

异步屏是指LED显示屏具有存储及自动播放的能力，在计算机上编辑好的文字及无灰度图片可通过串口或其他网络接口传入LED显示屏，然后由LED显示屏脱机自动播放，一般没有多灰度显示能力，主要用于显示文字信息，可以多屏联网。

5．按发光单元的尺寸分类

LED发光单元的尺寸通常是根据发光单元（LED灯珠）的直径（也可根据方形灯体的边长、对角线等）来分类的，有如下几类。

室内屏：Φ3mm、Φ3．75mm、Φ5mm。

室外屏：Φ10mm、Φ12mm、Φ16mm、Φ19mm、Φ20mm、Φ21mm、Φ22mm、Φ26mm。

通常用“P”加“其尺寸的毫米数”表示显示屏中单元灯珠的大小，例如，直径为Φ12mm的单元灯珠组成的显示屏通常称为P12显示屏。

也常用单位面积（每平方米）的像素（单元灯珠）个数来描述显示屏的像素大小。例如，室内屏采用的LED点阵模块规格比较统一，所以按照模块的像素直径划分，主要有44100像素／平方米、27800像素／平方米、17200像素／平方米等，像素／平方米通常又称为点。室外屏的像素直径及像素间距目前没有统一的标准，按每平方米像素数量大约有2500点、3086点、3906点、5102点等。

室外屏发光的基本单元为发光筒，发光筒的原理是将一组红、绿、蓝发光二极管封装在一个塑料筒内共同发光，以实现不同的颜色，故尺寸较大。

6．按显示方式分类

LED显示屏按显示方式可分为静态显示、横向滚动、垂直滚动和翻页显示等。

5．2．2　LED显示屏的特性参数

1．LED显示屏的结构参数

1）像素

像素（Pixel）又称像素点（见图5．1），简称点。像素是显示屏的最小发光单元，根据显示屏种类的不同，每个像素包含一颗或若干颗LED灯珠。对全彩屏或真彩屏而言，一个像素由R、G、B三种颜色的LED芯片或灯珠组成；按组成方式的不同，又可分为1R／1G／1B、2R／1G／1B、2R／2G／1B等不同的组合方式。像素是全彩屏的基本成像单位。

图5．1　由两红一绿一蓝四颗灯珠组成的一个像素点

2）点间距

点间距（Pitch）是显示屏各像素的中心点之间的距离，一般用mm表示，它决定显示屏的像素密度，即它能刻画图像细节的大小，决定图像的清晰度。如5．2．1节所述，点间距是用来描述LED显示屏规格的重要参数之一。

3）灰度等级

显示屏亮度调节的精细度就称为显示屏的灰度等级（Gray Scale），R、G、B三个颜色分量综合灰度等级决定其颜色的丰富程度。一般来说，灰度等级越高，颜色就越丰富。R、G、B三个分量都达到256个灰度等级的显示屏称为真彩色显示屏。

2．LED显示屏的性能参数

1）亮度与视角

显示屏亮度主要取决于LED的发光强度和像素密度。目前，国际一流品牌小功率LED在水平视角为110°、垂直视角为50°的情况下，绿管的发光强度已达4000mcd，红管的达1500 mcd，蓝管的达1000mcd。当像素间距为20mm时，显示屏亮度可达10000cd／m2甚至更高。

2）均匀性与清晰度

LED显示屏各像素之间或各模块之间各项性能参数一致性的程度称为LED显示屏的均匀性；LED显示屏显示的图像让人感受到的清晰程度称为LED显示屏的清晰度。

显示屏清晰度是人眼对显示屏分辨率、均匀性（信噪比）、亮度、对比度等多项因素综合的主观感受。单纯缩小物理像素间距来提高分辨率，而忽视均匀性，对提高清晰度效果不好。一个存有严重“灰尘效应”和“马赛克现象”的显示屏，即使它的物理像素间距再小，分辨率再高，也不可能有良好的图像清晰度的效果。

因此，从某种意义上讲，目前制约LED显示屏清晰度的主因是“均匀性”，而不是“物理像素间距”。

3）白平衡效果

白平衡效果是显示屏最重要的指标之一。色彩学上，当红、绿、蓝三原色的比例为1∶4．6∶0．16时，才会显示出纯正的白色。如果实际比例有点偏差，则会出现白平衡的偏差。一般要注意白色是否有偏蓝色和偏黄绿色的现象。白平衡的好坏主要由显示屏的控制系统来决定，管芯对色彩的还原性也有影响。

4）色彩的还原性

色彩的还原性是指显示屏对色彩的还原性，既要保证显示屏显示的色彩与播放源的色彩一致，又要保证图像的真实感。

5）对比度

对比度是指在一定的环境照度下，LED显示屏最大亮度与背景亮度的比值，即

对比度＝发光时的亮度（发光亮度）／不发光时的亮度（反射亮度）

为了显示出亮度均一的文字和图像不受周围光线的影响，屏幕应具有足够的对比度。对于LED显示屏，对比度要达到4096∶1及以上效果才会好。

6）换帧频率

换帧频率是指单位时间内显示屏画面信息更新的次数，一般为25Hz、30Hz、50Hz、60 Hz等。换帧频率越高，变化的图像连续性越好。

7）刷新频率

刷新频率是指LED显示屏显示数据每秒钟被重复显示的次数，一般为60Hz、120Hz、240Hz等。刷新频率越高，图像显示越稳定。

8）像素失控度

显示屏中像素的发光偏离设计值，并失去控制的程度称为像素失控度。

造成显示屏像素失控的原因很多，其中最主要的原因就是“LED失效”。

LED失效的原因有两个方面：一是LED自身品质不佳；二是使用方法不当。在高温、低温、温度快速变化或其他恶劣条件下，LED也会失效，这是由于LED芯片、环氧树脂、支架、内引线、固晶胶、PPA杯体等材料热膨胀系数的差异，引发其内部应力的不同而产生的。对于GaN基LED而言，静电放电则是LED失效的最大诱因。

9）寿命

LED的寿命通常以发光强度衰减到初始值50%的时间为寿命期。虽然LED寿命决定显示屏的寿命，但并不是说LED寿命等于显示屏寿命。当显示屏工作时，并不是每只LED每时每刻都在满负荷工作，显示屏在正常播放视频节目的情况下，显示屏的寿命应该是LED寿命的6～10倍，LED工作在小电流的状况下的寿命可以更长。

10）能耗与能效

提高LED发光效率，降低显示屏能耗是LED显示屏技术的一个重要发展方向，它具有如下积极意义：一是节能、减排，保护环境；二是降低电力增容，减少动力设备及散热设备的投入；三是节省电费，降低运营成本；四是降低显示屏温升；五是延缓LED衰减速度；六是提高系统可靠性；七是延长显示屏使用寿命；八是减小显示屏光电参数的温漂，稳定图像效果。

LED的发光效率（外量子效率）是由LED内量子效率和逃逸率决定的。如今，LED的内量子效率已达90%，但是，由于逃逸率较低，因此外量子效率成为提高LED光效的瓶颈。为了突破这个制约行业发展的瓶颈，人们提出了许多解决方案，同时验证了一些理论，其中大多数已进入试验阶段，部分已获得了成功，并且为最终的产业化奠定了坚实的基础。

11）LED显示屏的扫描方式

在一定的显示区域内，同时点亮的行数与整个区域行数的比例，称为扫描方式；室内单双色一般是1／16扫描，室内全彩一般是1／8扫描，室外单双色一般是1／4扫描，室外全彩一般是静态扫描。

LED显示屏的驱动方式有静态扫描和动态扫描两种。静态扫描分为静态实像素和静态虚拟像素，动态扫描分为动态实像素和动态虚拟像素。

实像素与虚拟像素是相对应的，简单来说，实像素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，以获得足够的亮度。

虚拟像素是利用软件算法控制每种颜色的发光管并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高的分辨率，从而提高显示分辨率。

例如，一个常用的全彩模组像素为16×8（2R1G1B），如果用MBI5026驱动，则模组总共使用的芯片个数是：16×8×（2＋1＋1）＝512，MBI5026为16位芯片，512／16＝32。

（1）如果用32个MBI5026芯片，则为静态虚拟像素。

（2）如果用16个MBI5026芯片，则为动态1／2扫描虚拟像素。

（3）如果用8个MBI5026芯片，则为动态1／4扫描虚拟像素。

（4）如果板子上串联两个红灯：

①用24个MBI5026芯片，则为静态实像素；

②用12个MBI5026芯片，则为动态1／2扫描实像素；

③用6个MBI5026芯片，则为动态1／4扫描实像素。

LED显示屏的扫描方式有1／16、1／8、1／4、1／2和静态等几种。如何区分LED显示屏呢？一种最简单的办法就是数一下单元板的LED的数目和74HC595的数目。其计算方法为：LED的数目除以74HC595的数目再除以8，得数为多少，即为多少分之一扫描。

12）驱动方式

LED的驱动方式一般有两种，一种是改变LED的电流。一般来说，LED的工作电流最好设定在20mA以下，以保证LED的抗衰减性。另一种是利用人眼的视觉惰性，用脉冲调制来实现灰度控制。人对像素平均亮度的感觉可取决于它的衰／灭（占空比），即周期性地改变占空比，只要这个周期足够短，人眼就感觉不出它的衰／灭。

图5．2　LED室内显示屏模块

3．LED显示中的其他几个重要概念

1）显示模块

LED可排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的显示模块。显示模块是由若干个显示像素组成的、结构上能独立组成LED显示屏的最小单元。

室内显示屏常用的有8×8像素模块（见图5．2），即每个显示模块有64个像素，一般采用LED点阵结构，此外还有8字7段数码管模块等。室外显示屏像素模块有4×4像素、8×8像素、8×16像素等规格。

室外显示屏通常使用直插式或贴片式灯珠，由1～3个相同或不同颜色的灯珠组成模块的一个像素点，然后由1×1像素、4×4像素、8×8像素、8×16像素等规格构成模块。

图5．3所示的室外显示屏模块就是由2个红色灯珠组成1个显示像素点。

图5．3　LED室外显示屏模块及其采用的灯珠

2）显示模组

由电路及安装结构确定的并具有显示功能的组成LED显示屏的独立单元称为LED显示模组。模组实质上就是由多个模块加上驱动电源和安装结构组成的，其目的是便于组装和显示，出厂的半成品通常由显示模组形式提供，将多个显示模块与显示驱动加在一起。

室内屏模组俗称单元板；室外屏模组俗称模组。

室内屏模组通常有64×32（64列32行，由32个模块组成）、64×16（64列16行，由16个模块组成）等规格。图5．4所示的为一个64×16的室内屏模组。

图5．4　室内屏模组

室外屏模组通常有64×32、32×32、32×16、16×16、16×8等多种规格。

由于工作环境复杂多变，要求室外屏模组的结构比室内屏的高。图5．5所示的为16×8（2红）的室外屏模组。由图5．5可以看出，图5．5（c）为其整个结构刨图，即显示板上插的是灯珠，背板上是显示驱动电路，是分体结构的；也有的将显示板和显示驱动电路一起放在电路板上，为整体结构。由图5．5（a）和图5．5（b）可以看出它们之间的区别。面板、后壳是一个塑料罩壳，面板对应的灯珠位置开有孔，以使灯珠漏出头；后壳上有用于安装的螺丝孔或磁柱，便于模块的组装。模块的前面灌有显示屏专用的防水胶。

图5．5　室外屏模组

对于大型室外全彩屏而言，通常由若干个模组＋机箱＋风扇＋电源组成箱体。

3）LED显示屏屏体

将单元板／模组／箱体按一定方式拼接在一起，加上控制卡／控制系统、电源和框架等就构成为LED显示屏。

室内屏由显示单元板、控制卡、电源、铝型框架等组成。

室外屏由显示模组、控制卡、电源、铝型框架等组成。

全彩屏由显示箱体、控制系统、计算机、通信网络、架体等组成。

图5．6所示的为大型LED户外全彩屏的构成示意图。

图5．6　大型LED户外全彩屏的构成示意图

5．3　LED显示屏的结构与工作原理

5．3．1　LED显示屏的结构

LED显示屏的主体由若干个可组合拼接的显示单元（单元显示板或单元显示箱体），以及一套适当的控制器（主控板或控制系统）构成。不同规格的显示板（或单元箱体）配合采用了不同控制技术的控制器就可以组成多种不同类型的LED显示屏，以满足不同环境、不同显示要求的需要。

一个功能完整的LED显示屏（同步视频屏）由以下几部分构成。

1．显示单元

显示单元是显示屏的主体，由LED灯珠阵列及相应的驱动电路模块构成。从结构上看，户内屏通常为各种规格的单元显示板，户外屏通常为单元箱体。

2．结构框架

结构框架是显示单元的安装载体以及支撑和保护部分，通常由金属材质构成。户内屏的内框架一般采用铝合金（角铝或铝方管）结构，装载显示板等各种电路板及开关电源，外边框由香槟色和银白色的铝合金方管制成；户外屏根据屏体大小及承重能力采用角钢或工字钢材质。外边框可采用铝塑板进行装饰。

3．电源系统

将220V交流电变为各种直流电以提供给显示屏不同部件中的各种电路。

4．扫描控制板

该电路板的功能是实现数据缓冲，产生各种扫描信号以及占空比灰度控制信号，用于控制显示屏的显示。

5．主控制器

主控制器是将输入的RGB数字视频信号缓冲、灰度变换，重新组织，并产生各种控制信号。

6．双绞线传输电缆和光纤

主控仪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（主要用于单双基色显示屏）。为了提高传输速率，确保实时同步性，全彩屏通常采用单模光纤进行传输。

7．计算机及其外设

计算机及其外设用于播放显示视频，以及设计各种显示控制程序。

8．专用显示卡及多媒体卡

除具有计算机显示卡的基本功能外，还同时输出数字RGB信号及行、场、消隐等信号给主控仪。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（视频采集）。

9．其他信息源

其他信息源包括如电视机、DVD／VCD、录像机及切换矩阵等。就控制部分而言，其基本的组成结构和控制流程为：视频LED显示屏通常由主控制器、扫描板、显示控制单元和LED显示屏体组成。

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，每块扫描板负责控制LED显示屏上的若干行（列），每一行（列）上的LED显示信号则用串行方式通过本行的各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。主控制器是把计算机显示时配卡的信号转换成LED显示屏所需要的数据和控制信号格式。显示控制单元一般由带有灰度级控制功能的移位寄存器锁存器构成。相比图像显示屏，LED显示屏的显示控制单元规模更大，一般由大规模集成电路构成。

扫描板起承上启下的作用，一方面它接受主控制器的视频信号；另一方面把属于本级的数据传送给自己的各显示控制单元，同时还要把不属于本级的数据传输给下一级联的扫描板。视频信号和LED显示数据，在空间、时间、顺序等各方面的差别，都要由扫描板来协调。

5．3．2　LED显示屏显示的实现

1．LED显示屏的显示原理

图5．7所示的是一个8×8LED点阵模块驱动结构示意图。由图5．7可知，8×8点阵的64个LED发光单元中，每个发光单元都放置在行线和列线的交叉点上。当对应的某一行置高电平（高电位）、某一列置低电平时，在该位置上的发光单元就被点亮。

图5．7　8×8LED点阵模块驱动结构示意图

将许多这样的模块组合在一起，就形成单元板或模组，LED显示屏单元板或模组的驱动需要显示驱动电路和单片机等智能控制芯片。通常来说，虽然单元板或模组带有显示驱动电路，但还需要单片机的控制卡才能将文字或图形显示在屏幕上。其驱动电路原理图如图5．8所示。

LED无论显示的是文字还是图形，都由点阵组成，例如，常用的汉字，完整的点阵有16× 16、32×32等，每个点就是一个像素点。图5．9所示的是由16×16点阵表示一个汉字的示意图。

图5．8　LED显示驱动电路原理图

将黑点处（亮的像素点）定义为1，白点处（不亮的像素点）定义为0，就可以编写成能在单片机中保存的字形格式。例如，以下16×16的点阵汉字，每个汉字为32个字节：

图5．9　16×16点阵表示汉字的示意图

｛0xDF，0xFD，0xDF，0xFD，0x03，0xC0，0xDF，0xFD，0xDF，0xFD，0x01，0x80，0xDF，0xFD，0xEF，0xFB，0xFF，0xFF，0x7B，0xEF，0x7C，0x9F，0x77，0xF5，0x77，0xEB，0x7B，0xEB，0x5F，0xFF，0xBF，0xFF｝，｛0x7F，0xFF，0x01，0xC0，0x7F，0xFF，0x03，0xE0，0xFF，0xFF，0x07，0xF0，0xF7，0xF7，0x07，0xF0，0xFF，0xFF，0x00，0x80，0xFF，0xFF，0x07，0xF0，0xF7，0xF7，0xF7，0xF7，0x07，0xF0，0xFF，0xFF｝，｛0xBF，0xFF，0xBB，0xFD，0xBB，0xF3，0xBB，0xF7，0x01，0x80，0xDB，0xFF，0xDF，0xFF，0x1F，0xF8，0xFF，0xFF，0xAF，0xFB，0xAF，0xFB，0x77，0xFD，0xFB，0xFE，0x7D，0xF9，0x9E，0xC7，0xE7，0xEF｝，｛0xFF，0xEF，0x81，0xEF，0xBD，0xEF，0xAD，0xEF，0xAD，0x80，0xAD，0xE7，0xAD，0xE7，0xAD，0xEB，0xFF，0xFF，0xAD，0xED，0xEF，0xED，0xD7，0xEE，0xB7，0xEF，0x3B，0xEF，0xBD，0xEB，0xFE，0xF7｝

假设要显示“恭喜发财”这4个字。首先，送出“恭喜发财”的各头2个字节，即0xDF 0xFD　0x7F0xFF　0xBF　0xFF　0xFF　0xEF。每个字节都为8位，这样共送出8×8＝64位（列），这些位信号是通过DI信号端送出的（串行送出）。每送出1位CLK信号端都要高低变换一次（称为串行移位），使得64位（列）的每一位都被移送到了74HC595的输入端口上。送出锁存信号STB，即STB信号高低变换一次，将74HC595的输入端口上64位（列）数据送到74HC595的输出端口上，这样就显示了一行数据。锁存信号也使得下一行数据串行移位送出不会影响到上一行的显示。由单片机再通过74LS138变换ABCD的组合，选出下一个显示行。

重复这一过程，将送出的数据相应地向后移动，即“恭喜发财”的3～4个字节，5～6个字节依此类推。

行选择是从第1行到第16行依次进行显示的，将16行显示一遍称为一个显示刷新周期。无论LED显示屏的大小如何，一个显示刷新周期必须在20ms以内完成，否则会出现闪动。单片机速度很快时，32行200列以内的显示通常没有问题。但当LED显示屏更大时，就要选择速度更快的单片机或DSP来完成。

LED显示的功能是由控制卡来实现的，无论是简单的单色屏还是复杂的全彩屏，显示原理都是一样的。但如果要实现诸如左右移动、飞入飞出、嵌色变换等特殊效果，还需要在单片机或DSP上编写较为复杂的算法程序。现在有许多控制卡生产研发的厂家推出了性能各异的控制卡供我们选择，选用其中这些产品就可实现以上功能。

2．LED显示屏显示板中的驱动芯片

LED显示屏是由发光二极管（LED）及其驱动芯片来驱动单元拼接而成的大尺寸平面显示器。驱动芯片性能的好坏对LED显示屏的显示质量起着至关重要的作用。

LED驱动芯片可分为通用芯片和专用芯片两种。所谓的通用芯片，其芯片本身并不是专门为LED设计的，而是一些具有LED显示屏部分逻辑功能的逻辑芯片（如串－并移位寄存器）。通用芯片一般用于LED显示屏的低档产品，如室内的单色屏、双色屏等。最常用的通用芯片是74HC595。

专用芯片是指按照LED发光特性而设计的专门用于LED显示屏的驱动芯片。LED是电流特性器件，即在饱和导通的前提下，其亮度随着电流的变化而变化，而不是靠调节其两端的电压而变化。因此，专用芯片的最大特点是提供恒流源。恒流源可以保证LED的稳定驱动，消除LED的闪烁现象，是LED显示屏显示高品质画面的前提。有些专用芯片还针对不同行业的要求增加了一些特殊功能，如亮度调节、错误检测等。

图5．10　74HC595芯片结构图

LED显示屏显示板中使用的通用驱动芯片主要有以下几种：74HC595、74HC245／244、74HC138、4953、TB62726。以下以74HC595为例介绍通用驱动芯片的功能。

74HC595芯片是一个8位移位锁存器，其作用是驱动LED的显示列，每片74HC595可以驱动8列。多片74HC595串接在一起时，串行列数据信号RI （DATA）、锁存信号STB、串行时钟信号CLK都在这个芯片上。其芯片结构如图5．10所示。

74HC595芯片引脚功能介绍如下。

第8脚GND为电源地。

第16脚UCC为电源正极。

第14脚DATA为串行数据输入口，显示数据由此进入，必须有时钟信号的配合才能移入。

第13脚EN为使能口，当该引脚上为“1”时，QA～QH口全部为“1”；当该引脚上为“0”时，QA～QH口的输出由输入的数据控制。

第12脚STB为锁存口，当输入的数据传入寄存器后，只有供给一个锁存信号才能将移入的数据送QA～QH口输出。

第11脚CLK为时钟口，每个时钟信号将移入一位数据到寄存器。

第10脚SCLR为复位口，只要有复位信号，寄存器内移入的数据将清空，显示屏不用该脚，一般接UCC。

第9脚DOUT为串行数据输出端，是将数据传到下一个。

第15、1～7脚为并行输出口，也就是驱动输出口，用于驱动LED。

结合其他不同功能的驱动芯片，就可实现LED显示屏的驱动。

3．LED显示控制中的控制信号

LED显示控制中的控制信号有CLK时钟信号、STB锁存信号、EN使能信号、RI数据信号、ABCD行信号等几种，它们具体的作用和意义如下。

（1）CLK时钟信号：提供给移位寄存器移位脉冲，每个脉冲将引起数据移入或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调一致才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号频率的1／2。任何情况下，当时钟信号出现异常时，会使整板显示变得杂乱无章。

（2）STB锁存信号：将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路点亮LED显示出来。但由于驱动电路受EN使能信号的控制，其点亮的前提必须是使能为开启状态。锁存信号也必须与时钟信号协调一致才能显示出完整的图像。任何情况下，当锁存信号出现异常时，会使整板显示变得杂乱无章。

（3）EN使能信号：整屏亮度控制信号，也用于显示屏消隐。只要调整它的占空比，就可以控制亮度的变化。当使能信号出现异常时，整屏将会出现不亮、暗亮或拖尾等现象。

（4）RI数据信号：提供显示图像所需要的数据。RI数据信号必须与时钟信号协调一致才能将数据传送到任何一个显示点。在显示屏中，一般红、绿、蓝的数据信号是分离的，若某数据信号的正极或负极短路，则对应的颜色将会出现全亮或不亮；若数据信号被悬空，则对应的颜色显示情况不定。

（5）ABCD行信号：只有在动态扫描显示时才存在，ABCD其实是二进制数，A为最低位营销管理，如果用二进制表示ABCD信号控制最大范围是16行（1111），1／4扫描中只要AB信号就可以，因为AB信号的表示范围是4行（11）。当行控制信号出现异常时，将会出现显示错位、高亮或图像重叠等现象。

4．LED单元板／模组上的显示接口

显示接口用于将控制卡和单元板／模组之间进行连接，以进行控制信号的传递。

由于存在不同的扫描方式，所以存在不同的接口方式，使用最多的是08接口、12接口和04接口。不同的接口主要是信号线的排列顺序不一样，原理是一样的。

室内屏多采用08接口，室外屏采用的接口非常杂乱，使用12接口较多，但12接口也不是室外屏的唯一接口。选择控制卡和单元板／模组时，应尽量选择接口一致的，若为不一致的接口，则要进行改线。

各种接口的引脚分布及实物如表5．2所示。

表5．2　接口类型及其引脚分布

5．4　LED显示屏设计与安装

5．4．1　LED显示屏方案设计原则与要领

1．屏体尺寸设计的因素

屏体尺寸设计的三个主要因素如下。

（1）显示内容的需要。

（2）场地空间条件。

（3）显示屏单元模板尺寸（室内屏）或像素大小（室外屏）。

2．室内显示屏的设计

室内显示屏的设计应以显示屏单元模板的尺寸为基础。一块单元模板分辨率一般为32行×80列，即共有2560个像素，其几何尺寸有以下几种。

（1）φ3．75mm单元模板尺寸为152mm（高）×304mm（宽）。

（2）φ5mm单元模板尺寸为244mm（高）×488mm（宽）。

室内显示屏体外边框的尺寸可按要求确定，一般应与屏体大小成比例。外边框的尺寸通常为5～10cm（每边）。

3．室外显示屏的设计

在室外显示屏的设计中，首先要确定像素尺寸。像素尺寸的确定除了应考虑前面提到需要的显示内容和场地空间因素外，还应考虑安装位置和视距。若安装位置与主体视距越远，则像素尺寸应越大，因为像素尺寸越大，像素内的发光管就越多，亮度就越高，有效视距也就越远。但是，像素尺寸越大，单位面积的像素分辨率就越低，显示的内容也就越少。

4．室外屏设计时需考虑的问题

设计室外屏时应考虑以下几点。

（1）屏体及屏体与建筑的结合部分必须严格防水防漏；屏体要有良好的排水措施，一旦发生积水就能顺利排放。

（2）在显示屏及建筑物上安装避雷装置。显示屏主体和外壳要保持良好接地，接地电阻要小于3Ω，这样可及时泄放雷电引起的大电流。

（3）安装通风设备，使屏体内部温度保持在－10～40℃。屏体背后上方安装轴流风机，排出热量。

（4）选用工作温度为－40～80℃的工业级集成电路芯片，防止冬季温度过低而不能启动显示屏。

（5）为了保证能在环境光强烈的情况下远距离可视，必须选用超高亮度发光二极管。

（6）显示介质选用新型广视角管，色彩纯正，寿命超过10万小时。显示介质的外封装为目前最流行的带遮沿方形筒体，硅胶密封，无金属化装配；其外形精致美观，坚固耐用，具有防阳光直射、防尘、防水、防高温、防电路短路“五防”特点。

5．4．2　LED显示屏计算机系统软硬件安装要点

1．计算机运行要求

（1）主机为PC586以上系列微机及兼容机。

（2）硬盘需有5GB以上空间，内存64MB以上。

（3）主板需有AGP插槽和PC．I插槽。

（4）操作系统为Windows XP／Windows　2000或更新的操作系统。

2．LED系统的配置

（1）带DVI显卡（XX显卡安装在计算机中）1块。

（2）DVI主控卡（数据采集发送卡，安装在计算机中）1块。

（3）扫描板（数据接收显示驱动卡，安装在显示屏后）1块。

（4）DVI电缆线、USB－串口线各1条。

（5）PCTV卡（可选）1块。

3．硬件安装

安装步骤如下。

（1）把DVI显示卡插于主板的AGP插槽，安装好该卡的驱动程序。

（2）将数据采集卡插于空的PCI插槽。

（3）用DVI电缆线将数据采集卡与显示卡连接在一起。

（4）将控制线与串口（Rs232）相连（可选）。

（5）用1条网线与接收卡相连。

（6）显示驱动卡与集线板用50P扁平线一一对应连接好。

（7）检查连接无误，即可进行设置或上电调试。

4．软件安装

安装步骤如下。

（1）显卡驱动安装。将显卡驱动程序光盘插入光驱，即可自动进入安装状态，按提示操作即可。

（2）播放软件。本屏附带大屏幕专用播放与设置软件LED演播室，可满足大部分LED大屏幕的要求，用于播放图片、文字及VCD等。将随屏所附应用软件光碟插入光驱，复制或安装所有程序到计算机上。

（3）PCTV卡软件。将PCTV卡驱动程序光盘插入光驱，即可自动进入安装状态，按提示操作即可。本硬件和软件适合播放VCD、DVD、TV等外接信号源。

5．4．3　LED显示屏设计、制作与安装实例

以下通过一个室内单色屏的设计与安装来介绍LED显示屏设计、制作与安装的方法和步骤。

任务目标：组装1个128×16点的单红的户内LED屏幕，通过连接PC串口更新屏幕的内容。

分析设计与制作安装步骤如下。

1．屏幕的组成

LED屏幕由单元板、电源、控制卡和连线构成。

1）单元板

单元板是LED的显示核心部件之一，单元板的好坏直接影响显示的效果。单元板由LED模块、驱动芯片和PCB电路板组成。LED模块是由很多个LED发光点用树脂或塑料封装起来的点阵。图5．11所示的为单元板的实物图。

驱动芯片主要是74HC595、74HC245／244、74HC138和4953。

户内条屏常用的单元板规格有：D＝3．75；点距4．75mm　64点宽×16点高，1／16扫描户内亮度，单红／红绿双色。

参数解释如下。

（1）发光直径是指发光点的直径D＝3．75mm。

（2）发光点距离4．75mm是指根据观看者的距离选择，户内一般选择点距4．75mm。

图5．11　单元板外观图

（3）单元板大小64×16是最常用的单元板，最容易买到，价格也最便宜。

（4）1／16扫描是指单元板的控制方式。

（5）户内亮度是指LED发光点的亮度，户内亮度适合白天需要靠日光灯照明的环境。

（6）颜色可采用：单红，最常用，价格也最便宜；双色，一般指红和绿，价格高。

制作一个128点×16点的屏幕，只需要2个64×16的单元板串接起来就可以了。

图5．12　开关电源

2）电源

一般使用的是开关电源，220V输入，5V直流输出。需要指出，由于LED显示屏属于精密电子设备，所以要采用开关电源，不能采用简单的变压器电源。对于1个单红色户内64×16的单元板，全亮时电流为2A。因此，128×16双色屏幕全亮时的电流为8A，应该选择5 V、10A的开关电源。电源外观如图5．12所示。

3）控制卡

推荐使用低成本的条屏控制卡，它可以控制1／16扫描的256×16个点的双色屏幕，可以组装出最有成本优势的LED屏幕。该控制卡属于异步卡，也就是说，该卡可以断电保存信息，不需要连接PC就可以显示存储在里面的信息。控制卡外观如图5．13所示。

图5．13　LED条屏控制卡

详细信息请参阅该控制卡的用户手册。

采购单元板时，需确定清楚参数，100%兼容的单元板如下。

（1）08接口，4．75mm点距离，64点宽×16点高，1／16扫户内亮度，单红／红绿双色。

（2）08接口，7．62mm点距离，64点宽×16点高，1／16扫户内亮度，单红／红绿双色。

（3）08接口，7．62mm点距离，64点宽×16点高，1／16扫半户外亮度，单红／红绿双色。

该控制卡一般采用16PIN，08接口。

4）连线

连线可分为数据线、传输线和电源线。数据线用于连接控制卡和LED单元板的排线；传输线用于连接控制卡和计算机；电源线用于连接电源和控制卡，以及电源和LED单元板。连接单元板的电源线的铜芯直径不小于1mm。

2．配件制作

1）数据线制作

数据线与计算机机箱里面的数据线类似，只是线的宽度有所差异。制作数据线需要一个特殊的钳子，它可以大大提高工作效率和良品率。制作数据线的材料包括排线、排线头和排线帽。注意，如果制作16PIN（16线）的数据线，需要购买16PIN的线和相应大小的排线头和排线帽。制作步骤：（1）用剪刀剪平线头，并注意线和头的平衡；（2）放进压线钳的中央，用力压紧；（3）把线绕过来，安装排线帽。排线帽很重要，可以有效保护数据线，让排线更加结实。数据线及制作工具如图5．14所示。

图5．14　数据线及制作工具

2）电源线制作

电源线可分为220V电源线和5V电源线。220V电源线将开关电源连接到市电，最好采用3脚插头。由于5V电源线的电流比较大，所以必须采用铜芯直径在1mm以上的红黑对线。若有条件，最好将线的两头装上金属件。

3）RS－232线制作

RS－232线用于连接计算机和控制卡，以更新屏幕数据。这里要用到DB9头和网线。如图5．15所示，DB9头上面有数字5和3，将5连接棕，将3连接棕白。网线要夹紧，装在DB9头。然后用万用表测量两头是否导通。这里需要指出，DB9头可分为公头和母头。计算机后面的属于母座，所以要买个公插与之对应。

3．布线指南

操作步骤如下。

第1步：检查电源电压，找出直流正负连接开关电源，将220V电源线连接到开关电源（确认连接正确后，连接到AC或者NL接线柱），然后插上电。发现电源有个灯亮后，用万用表直流挡测量V＋和V－之间的电压，确保电压在4．8～5．1V。为了延长屏幕寿命，在亮度要求不高的场合下，可以把电压调节到4．5～4．8V。确认电压没有问题后，断开电源，继续组装其他部分。

图5．15　DB9的配件图片

第2步：关闭电源，将V＋连接红线，V－连接黑线，并分别连接到控制卡和LED单元板。其中，黑线接控制卡和电源的GND，红线接控制卡的＋5V和单元板的UCC。每个单元板有1条电源线。完成后，请检查连接是否正确。

第3步：用做好的排线连接控制卡和单元板。注意，方向不能接反；单元板有2个16PIN的接口，1个是输入接口，靠近74HC245／244，应将控制卡连接到输入，1个是输出接口，连接到下一个单元板的输入。

第4步：连接RS－232数据线。将做好的数据线一头连接计算机的DB9串口，另一头连接控制卡，将DB9的5脚（棕）连接到控制卡的GND，将DB9的3脚（棕白）连接到控制卡的RS－232－RX。如果计算机没有串口，则可以买条USB转RS－232串口的转换线。

第5步：再次检查连线是否正确。黑线连接－V和GND，红线连接＋V和UCC＋5V。

第6步：接通220V电源。如果正常，电源灯亮，控制卡亮，屏幕有显示。如果不正常，请检查连线，或者查看错误检修。

第7步：打开下载的软件，设定屏幕的参数，发送字幕，具体操作参照软件使用说明。如果屏幕出现两个单元板并显示相同的内容，请用软件设定屏幕的大小为8个汉字。

4．外框制作

根据显示屏的不同应用场合，通常采用不同类型的外框。如支架、简易框、不锈钢边框等，下面分别进行简介。

1）支架的制作

内嵌安装的时候，不需要外框，而是需要一个安装支架。安装支架一般用铝型材，比较轻便，切割加工容易，也可以用万能角铁（有很多孔的直角形铁条）。显示屏单元板背面有安装用的铜柱，用来把单元板固定在支架上，支架应稍长，以预留灯箱的安装孔。安装时可把单元板、控制卡、电源都固定在支架上，数据线和220V电源线也要绑定在支架上，这样一个最简单的屏幕就组装好了，并可以安装在其他设备（如灯箱）上。

2）简易框的制作

显示屏单元板可能会出现亮度不一或者有水花等现象，这时就需要在屏幕表面贴一层有机玻璃。有机玻璃的颜色一般选用茶色或暗红色，且要薄一点的，在切割时需要注意技巧，最好买时定好尺寸，让店铺切割好。具体的外框制作工艺，可以参考灯箱的制作。

3）不锈钢边框的制作

LED屏幕的不锈钢外框，通常是在简易边框的基础上包一层薄薄的不锈钢皮，使其看上去既美观大方又增加附加值。包框时需要用到折边机，可到厨具等小五金店订制，最好到专业的LED外框制作店订制，以达到包边的接缝最小等最优化效果。

5．错误排除

1）无显示

无显示时，需要检查电源是否连接；确认电源灯和控制卡上灯是否亮；测量电源控制卡、单元板的电压是否正常。如果电源正常，请检查控制卡与单元板的连接。可采用替换配件的方法排除错误。

2）显示混乱

显示混乱的问题主要有以下几点。

（1）2个单元板显示相同的内容。可用软件重新设定屏幕的大小。

（2）很暗。可用软件设定OE电平。

（3）隔行亮。数据线接触不好，请重新连接。

（4）某些汉字显示不正常。

（5）屏幕某些区域没显示。可更换单元板。

3）无法更新屏幕数据

（1）查看是不是屏幕编号错了，可以采用广播地址，发送。

（2）检查串口号是否正确，以及串口是否被占用。

（3）检查连线是否正确，以及是否断了。

6．工具和配件

必备工具需要数字万用表、40W烙铁、焊锡丝、松香、螺丝刀、排线压线钳和剪刀。

常用配件有控制卡、单元板、电源、电源线、电源插头、5V电源线、排线、排线头、网线和串口头。