復(fù)雜電磁環(huán)境下超長(zhǎng)顯示屏的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尤文堅(jiān)，戴 勵(lì)

(1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，廣西 南寧 530007;2.廣西人民廣播電臺(tái)技術(shù)部，廣西 南寧 530022)

LED顯示屏融合了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)，其動(dòng)態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長(zhǎng)、工作穩(wěn)定可靠，廣泛應(yīng)用于商業(yè)傳媒、信息傳播、新聞發(fā)布等，發(fā)展前景非常廣闊，并正朝著高耐氣候性、高發(fā)光密度、高發(fā)光均勻性及全色化方向發(fā)展。

本文介紹的超長(zhǎng)LED顯示屏，長(zhǎng)8.3 m，高0.9 m，對(duì)信息的同步性、穩(wěn)定性要求高，置于一個(gè)大型的視頻設(shè)備實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室有幾十臺(tái)敞開(kāi)式的精密視頻實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還有大量的精密測(cè)量?jī)x器，包括數(shù)字示波器、信號(hào)發(fā)生器、交流毫伏表、頻譜分析儀等，電磁環(huán)境異常復(fù)雜。實(shí)驗(yàn)證明，如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，此超長(zhǎng)的LED顯示屏點(diǎn)亮?xí)r會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的電子儀器設(shè)備帶來(lái)明顯的干擾，如在顯示屏與實(shí)驗(yàn)裝置距離0.5 m測(cè)試，視頻實(shí)驗(yàn)設(shè)備的屏幕會(huì)強(qiáng)烈晃動(dòng)，行電流在0.1～0.9 A之間變動(dòng)，示波器及交流毫伏表都感應(yīng)出明顯的干擾信號(hào)。同時(shí)，盡管不是很明顯，實(shí)驗(yàn)裝置的電磁輻射對(duì)顯示屏工作的穩(wěn)定性也有影響。

電磁兼容性(EMC)是指系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能夠正常工作且不對(duì)該環(huán)境中的設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾的能力。國(guó)家EMC標(biāo)準(zhǔn)要求，顯示屏的電磁輻射應(yīng)滿足GB/T19954.1—2005的要求，抗擾度應(yīng)滿足 GB/T19954.2—2005的要求，顯示屏在3C認(rèn)證中，認(rèn)證機(jī)構(gòu)大都采用GB9254標(biāo)準(zhǔn)［1］，該標(biāo)準(zhǔn)要求A級(jí)設(shè)備的主要限值為:30～230 MHz 40 dB(μV/m)10 m;230～1000 MHz 47 dB(μV/m)10 m。如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中未考慮EMC的要求，則不可能符合3C標(biāo)準(zhǔn)的要求。

本顯示屏長(zhǎng)8.3 m(含連接邊框)，屬于超長(zhǎng)顯示屏，存在數(shù)據(jù)延遲的問(wèn)題，如顯示屏水平方向需要32塊單元模組，每塊單元模組串接了8塊移位鎖存器74HC595。74HC595單個(gè)芯片的延遲時(shí)間為20 ns，則信號(hào)在顯示屏單元板中沿水平方向的延遲時(shí)間為8×32塊×20 ns=5.12 μs［2］。因此，為了滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)要求，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要注意選擇高性能的器件，適當(dāng)改變LED顯示屏單元板排列的方式，通過(guò)軟硬結(jié)合的方法提高控制系統(tǒng)性能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是超長(zhǎng)顯示屏信息的同步性問(wèn)題，另一個(gè)是復(fù)雜電磁環(huán)境下的EMC問(wèn)題。超長(zhǎng)LED顯示屏數(shù)據(jù)輸出速度慢，實(shí)驗(yàn)表明，如控制系統(tǒng)采用89C51單片機(jī)作為微處理器，在系統(tǒng)的刷新率、同步性及控制的靈活性方面很難達(dá)到要求。本系統(tǒng)的控制卡以NXP公司的ARM7芯片LPC2220FBD144為核心，該芯片指令和數(shù)據(jù)共用一條32位總線，采用3級(jí)流水線，內(nèi)嵌256 kbyte的高速閃爍存儲(chǔ)器，其指令最短周期可以達(dá)到17 ns，芯片處理能力強(qiáng)并且速度快、功耗低、資源配置靈活，非常適用于處理顯示屏數(shù)據(jù)。系統(tǒng)擴(kuò)展ISSI公司的 IS62L內(nèi)存和 M29W160EB存儲(chǔ)器，M29W160EB是16 Mbit的閃存，共有35個(gè)存儲(chǔ)器塊，系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出以DMA方式完成，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)LED顯示屏的高速刷新。

系統(tǒng)使用了120塊顯示屏單元，拼接成24×5的結(jié)構(gòu)，顯示屏單元每塊長(zhǎng)31.8 cm，高15.8 cm，整個(gè)顯示屏長(zhǎng)為7.6 m，高為0.8 m。為了滿足此超長(zhǎng)顯示屏的高同步性要求，采用了2塊控制卡，一塊同步卡，其示意圖如圖1所示。

圖1 顯示屏拼接示意圖

文獻(xiàn)［2］介紹了一種超長(zhǎng)LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是將顯示屏2和控制卡2作為一個(gè)整體，以中心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)180°，然后將控制卡1、控制卡2及同步控制卡合并為一個(gè)控制卡，如圖2所示。這樣控制卡的位置與顯示屏1和顯示屏2的連接距離均為0，消除了在頻率大于1 MHz時(shí)，長(zhǎng)距離線間電容對(duì)信號(hào)衰減的影響，只要妥當(dāng)處理水平移動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)輸出方式，就能最大限度地保證超長(zhǎng)LED顯示屏數(shù)據(jù)的雙向高速輸出。這種驅(qū)動(dòng)方式也非常適應(yīng)于本系統(tǒng)，但基于簡(jiǎn)潔性及成本的考慮，本系統(tǒng)并未采用。

圖2 一種超長(zhǎng)LED顯示屏驅(qū)動(dòng)方式

1.2 系統(tǒng)安裝及EMC設(shè)計(jì)

顯示屏置于一個(gè)復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下，在其放置的實(shí)驗(yàn)室中，有幾十臺(tái)電路板敞開(kāi)式的視頻實(shí)驗(yàn)設(shè)備，有大功率的三相電源及大量的測(cè)試儀器設(shè)備，電磁干擾的頻譜很復(fù)雜，覆蓋了工頻、射頻及微波。此復(fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)顯示屏數(shù)據(jù)的傳輸及正常顯示有一定的影響，但是影響并不明顯，因?yàn)轱@示屏具有高速刷新的能力，其抗干擾的能力比較強(qiáng)。但是顯示屏本身的電磁輻射對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的干擾很大，其箱體的電磁輻射主要集中在30～1000 MHz頻段，在30～400 MHz特別明顯。實(shí)測(cè)證明，顯示屏的電磁輻射主要來(lái)自于具有高速I(mǎi)C芯片的控制卡、扁平電纜及插接件、電源等，并且顯示屏箱體內(nèi)電磁輻射遠(yuǎn)大于顯示屏正面的電磁輻射。

本顯示屏的箱體外框使用鋁合金制作，中間使用了45#鋼板制成的加強(qiáng)筋，背面使用鋁塑板密封，構(gòu)成一個(gè)嚴(yán)密的屏蔽體。安裝時(shí)顯示屏之間的縫隙盡量小，顯示屏的前面有金屬網(wǎng)格屏蔽層，在顯示屏的左右兩側(cè)留出散熱孔，并安裝有散熱風(fēng)扇。電源系統(tǒng)的功率因數(shù)校正器置于顯示屏的右側(cè)，這主要是基于散熱及維護(hù)的便利性考慮，15個(gè)電源模塊均布在顯示屏的中部，每個(gè)電源模塊都有金屬屏蔽外殼，電源線從頂部平直拉過(guò)，使得電源支線盡量短。在控制卡、同步卡及轉(zhuǎn)接卡上安裝有金屬屏蔽罩，信號(hào)連接線盡量短，對(duì)于確實(shí)需要的長(zhǎng)信號(hào)線，盡量使兩端的阻抗匹配，減小信號(hào)反射產(chǎn)生波形畸變，形成駐波而產(chǎn)生電磁輻射。在信號(hào)線上使用鐵氧體磁環(huán)對(duì)高頻共模干擾電流進(jìn)行濾波，因?yàn)楣材ｋ娏鞯拇嬖谑菍?dǎo)致輻射過(guò)大的主要因素，鐵氧體磁環(huán)的選擇要結(jié)合其插入損耗隨頻率變化的曲線選擇效果才會(huì)好［3］。

顯示屏箱體的金屬接縫處盡量搭接良好，使搭接電阻盡可能小，特別是箱體的后蓋與箱體要盡可能連接緊密，確保整個(gè)箱體外殼和大地等電位，才能具有較好的屏蔽效果。另外，電源的傳導(dǎo)干擾不能忽略，采用了改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在下一節(jié)討論。

2 顯示屏單元的選用

顯示屏單元選用P10模組，P10模組比較成熟可靠，每塊模組有16行，32列，共512個(gè)發(fā)光二極管，使用的驅(qū)動(dòng)芯片有74HC595，74HC245/244，74HC138，4953 等，電路框圖如圖3所示。

圖3 顯示屏電路框圖

74HC245是信號(hào)功率放大芯片，顯示屏是由多塊單元板串接而成的，而控制信號(hào)比較弱，在信號(hào)傳遞過(guò)程中需要進(jìn)行功率放大。74HC138是譯碼器，用來(lái)選擇顯示行，單元板上有2塊74HC138，這樣就可以在16行中選擇1行顯示。P10模組上有16片74HC595，它是8位移位鎖存器，用于驅(qū)動(dòng)顯示列，有些模組使用 TB62726代替74HC595，一片TB62726可以驅(qū)動(dòng)16列;4953是行驅(qū)動(dòng)管，每一顯示行需要的電流比較大，要使用行驅(qū)動(dòng)管，每片4953可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)顯示行。

3 顯示屏模組供電的拓?fù)湓O(shè)計(jì)

電磁兼容、低能耗、散熱、防水等是LED顯示屏設(shè)計(jì)要考慮的重要內(nèi)容，大型LED顯示屏耗能大，隨著顯示內(nèi)容的變換，電流動(dòng)態(tài)變化范圍大，本系統(tǒng)使用單相電源供電。據(jù)實(shí)測(cè)，在顯示屏靜態(tài)顯示一行文字以及滿屏顯示時(shí)，其供電電流在2～19 A變化。如顯示屏模組由不帶PFC矯正的開(kāi)關(guān)電源供電，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波失真，波形畸變嚴(yán)重，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，干擾實(shí)驗(yàn)室中其他儀器設(shè)備的正常工作。LED顯示屏系統(tǒng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的影響主要是第3次、第5次、第7次、第9次、第11次諧波電流，諧波疊加后，造成系統(tǒng)綜合功率因素低下，通常低于0.75，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求［4］。與本顯示屏連接同一電網(wǎng)的敏感電子儀器眾多，為了滿足EMC的要求，參考文獻(xiàn)［4］介紹了新型LED顯示模組供電拓?fù)?，設(shè)計(jì)此超長(zhǎng)顯示屏的供電體系，其原理如圖4所示。

圖4 顯示屏系統(tǒng)電源拓?fù)?/p>

NCP1653是集成功率因數(shù)校正(PFC)芯片，采用獨(dú)特的校正技術(shù)，使PFC電路的輸入阻抗保持恒定，從而使PFC電路的輸入電流與輸入電壓成正比，只需連接少量的外圍器件，就能實(shí)現(xiàn)電路的PFC控制。PFC模塊的具體電路已經(jīng)比較成熟，主要由芯片NCP1653、開(kāi)關(guān)器件、升壓電感器、升壓二極管、輸出濾波電容及反饋環(huán)路組成，電路在90～260 V寬輸入電壓范圍內(nèi)得到400 V的穩(wěn)定直流電壓輸出，功率因數(shù)接近1，諧波畸變很小?？刂瓢寮帮@示屏的電源模塊實(shí)現(xiàn)DC—DC變換，可以使用基于NCP1207的開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)。此供電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)有源功率因數(shù)校正器將DC—DC變換與電網(wǎng)隔離，并進(jìn)行了PFC有源校正，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波干擾，同時(shí)顯示屏內(nèi)部電源總線采用400 V直流電壓傳輸，減少了傳輸損耗。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下顯示正常，動(dòng)態(tài)特性良好，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波干擾，對(duì)周?chē)木茈娮觾x器設(shè)備無(wú)干擾，利用電磁波輻射測(cè)試儀檢測(cè)電磁泄漏，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。需要注意的是，在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，檢測(cè)出的數(shù)值是環(huán)境中綜合影響的結(jié)果。

表1 電磁輻射檢測(cè)

5 分析與討論

超長(zhǎng)LED顯示屏數(shù)據(jù)輸出速度慢，可以從合理組織數(shù)據(jù)和提升硬件性能兩方面解決，方案一是將顯示數(shù)據(jù)按輸出順序連續(xù)排列在存儲(chǔ)器中，由控制電路將數(shù)據(jù)以DMA方式直接輸出，并利用單片機(jī)的擴(kuò)展功能自動(dòng)產(chǎn)生移位時(shí)鐘，結(jié)合軟件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的高速輸出，可以實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)顯示屏高刷新頻率的要求［5］。方案二是提高硬件電路的頻率特性，當(dāng)然可以改善動(dòng)態(tài)特性，但會(huì)增加電磁干擾，改變顯示屏單元板的排列方式，使用新的超長(zhǎng)顯示屏控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式是一種思路，但并未成熟，有關(guān)雙向超長(zhǎng)LED顯示屏控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織和硬件實(shí)現(xiàn)方法等，都有待進(jìn)一步研究和探索。

顯示屏的顯示驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源、信號(hào)處理等電路存在大量的脈沖信號(hào)，如數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存、亮度控制等信號(hào)，這種高頻脈沖信號(hào)具有豐富的高次諧波，是產(chǎn)生電磁輻射的激勵(lì)源，特別是時(shí)鐘信號(hào)占空比為50%的方波，其第3，5次諧波的能量很高，是電磁輻射的重要來(lái)源。從抑制電磁輻射的角度考慮，激勵(lì)源的脈沖頻譜不能太寬，降低脈沖頻率及不片面追求使用高速電路，對(duì)于抑制電磁輻射是有利的［6］。顯示屏內(nèi)部大量電纜、連接件及PCB電路板上的布線構(gòu)成了輻射器，尤其在滿足特定條件時(shí)輻射效率會(huì)增加。從實(shí)際的檢測(cè)結(jié)果看，無(wú)論是電源電纜還是信號(hào)電纜，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，構(gòu)成環(huán)天線輻射和單極天線輻射，特別是電源電纜產(chǎn)生的低頻干擾不能忽視，當(dāng)距離電源線小于40 mm時(shí)，電磁輻射的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)大于2000 V/m。信號(hào)電纜可以利用屏蔽線、添加鐵氧體磁環(huán)、縮小長(zhǎng)度加以抑制，電源電纜的輻射在必要時(shí)可以加裝濾波器加以抑制。

顯示屏的傳導(dǎo)干擾主要通過(guò)電源線傳播，可以通過(guò)電網(wǎng)把干擾傳播到非常廣的范圍。測(cè)量表明，傳導(dǎo)干擾的頻率最高為幾十兆赫茲，因?yàn)楫?dāng)頻率升高時(shí)，導(dǎo)體損耗、布線電感及分布電容使傳導(dǎo)電流大大衰減［7］。接地是抑制干擾的有效手段，從以上的測(cè)試可知，系統(tǒng)有無(wú)接地其電磁輻射的數(shù)值相差很大，如果系統(tǒng)沒(méi)有接地，顯示屏的邊框、加強(qiáng)筋、電源板的屏蔽外殼都變成了發(fā)射天線，電磁泄漏很強(qiáng)，特別要注意的是顯示屏箱體不能有突出的金屬物體，這會(huì)大大增強(qiáng)電磁輻射。另外，顯示屏電路的工作頻率一般高于10 MHz，應(yīng)采用多點(diǎn)網(wǎng)狀的接地方式，地線應(yīng)連接到最近的低阻抗地線排，地線排一般使用與機(jī)殼相連的扁粗金屬導(dǎo)體，其感抗很小，效果比較好。

6 小結(jié)

設(shè)計(jì)與制作了一套在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的超長(zhǎng)LED顯示屏，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、正常，其動(dòng)態(tài)特性、電磁干擾等指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，并且性價(jià)比高，對(duì)超長(zhǎng)顯示屏的實(shí)現(xiàn)以及其在復(fù)雜電磁環(huán)境下的電磁兼容性進(jìn)行了有成效的研究。顯示屏技術(shù)及電磁兼容理論不斷發(fā)展，有很多相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究，如電磁兼容模型、電磁兼容預(yù)測(cè)、超長(zhǎng)冷媒顯示屏在復(fù)雜電磁環(huán)境下的應(yīng)用等。

［1］GB9254—2008，信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法［S］.2008.

［2］靳桅，李騏，鄔芝權(quán).超長(zhǎng)LED顯示屏驅(qū)動(dòng)方式研究［J］.電視技術(shù)，2009，33(2):23－25.

［3］邱榮邦.LED顯示屏電磁輻射干擾的形成與抑制［J］.現(xiàn)代顯示，2008(87):221－224.

［4］任興業(yè).一種新型LED顯示模組供電拓?fù)洌跩］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(8):157－161.

［5］劉全，靳桅.超長(zhǎng)LED顯示屏控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.液晶與顯示，2008，23(6):744－750.

［6］陸榮慶.LED顯示屏電磁兼容(EMC)探討［C］//2008全國(guó)LED顯示應(yīng)用技術(shù)交流暨產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)論文集.北京:［s.n.］，2008:27－30.

［7］郭銀景，呂文紅，唐富華，等.電磁兼容原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.