P1.5高清室內LED全彩顯示屏設計與實現

張曉芳，陳宇博

（1.漳州理工職業(yè)學院，福建漳州 363000；2.漳州蒙發(fā)利實業(yè)有限公司，福建漳州 363000）

0 引言

目前，國外LED 顯示屏市場趨近飽和，加上國際經濟持續(xù)低迷，新興市場發(fā)力遲緩，致使LED 顯示屏行業(yè)出現大幅萎縮，后LED 顯示屏時代即將來臨。面對市場增長乏力的現狀，全彩顯示屏將以其更生動、更豐富的顯示內容、更大的創(chuàng)意空間，全面滿足個性化需求，同時具備數字時代的傳播概念，未來將逐步成為LED 顯示屏的主流產品。LED材料器件技術和性能不斷提高，電子技術發(fā)展日新月異，為LED 顯示屏產品的技術深化和提高帶來良好的基礎，半導體照明產業(yè)的發(fā)展更為LED 顯示產業(yè)帶來良好契機[1]。因此，LED顯示屏行業(yè)的市場發(fā)展前景非常樂觀。

經過多年的發(fā)展創(chuàng)新，LED 顯示屏已逐步從當初的單、雙色主導產品過渡到現在性價比更高的全彩顯示產品。LED 顯示屏應用的成熟，也使整個行業(yè)面臨著利潤被逐漸攤薄，同質化競爭激烈的現狀。在新的市場格局下，點間距越來越小、穩(wěn)定性越來越高、顯示效果越來越高清、畫面質量越來越細膩、安裝使用越來越智能化，并通過深化技術內涵，豐富產品體系，倡導產品多元化，突出主導產品的優(yōu)勢將是LED 顯示屏產業(yè)發(fā)展的重要趨勢。具有高密度、高清晰度、寬角度、高亮度、高刷新率、高對比度、智能控制、節(jié)能環(huán)保等多種技術優(yōu)勢的高端LED顯示屏必將成為重點發(fā)展的對象。

室內LED 全彩顯示屏性價比的提升，將使傳統(tǒng)的單、雙色顯示屏主導產品逐漸失去市場，全彩LED 顯示屏將擁有無可比擬的市場優(yōu)勢。根據LED顯示屏發(fā)展趨勢[2]，在技術發(fā)展和應用推廣下，高端LED 顯示屏具有的競爭優(yōu)勢更加明顯。首先，高端LED 顯示屏是指LED 點間距在P2.5 以下，具有高密度、小間距特征的室內全彩LED 顯示屏，主要包括P2.5、P2.0、P1.875、P1.5 等系列產品。其次，高密度、小間距LED 顯示屏是整套系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包括LED 顯示系統(tǒng)、高清顯示控制系統(tǒng)以及散熱系統(tǒng)等。高端LED 顯示屏采用像素級的點控技術，實現對顯示屏像素單位的亮度、色彩的還原性和統(tǒng)一性的狀態(tài)管控。

以往，LCD 液晶屏占據低端顯示市場半壁江山，室內中高端市場則以DLP 背投顯示為主。但是LCD 在能耗、亮度、刷新率、輻射和散熱等方面都不及LED，而DLP 又存在諸多天然缺陷。首先，根本無法消除顯示單元之間1 mm的拼縫，可以至少吞噬掉一個顯示像素；其次，在色彩表現力方面也遜色于直接發(fā)光的LED 顯示屏。尤為不足的是，由于DLP顯示單元之間的差異，造成整個顯示屏的色彩和亮度的均勻性很難掌控，隨著產品運行時間的增加，單元之間的色彩差異會越來越大，拼縫也很難保持一致，后期維護比較困難。

高端LED 顯示屏最大的競爭力在于顯示屏可實現完全無縫拼接，以及顯示色彩的自然真實。完全無縫拼接，可消除單元亮度衰減和顏色漂移不一致的問題。此外，高端LED 顯示屏還具有逐點可調、可校正，動態(tài)刷新頻率更高，色彩還原性更好，灰度等級更高，壽命更長等優(yōu)勢[3]。在后期維護方面，LED 顯示屏擁有成熟的逐點校正技術，使用兩年以上的顯示屏可使用儀器進行整屏的一次性校正，操作過程簡單，顯示效果明顯。

1 工作原理

P1.5 高清室內LED 全彩顯示屏是由獨立的全彩模組拼接而成，模組內的每個像素點均由紅（R）、綠（G）、藍（B）三基色組成，通過LED全彩控制系統(tǒng)，使顯示屏實現全彩色顯示。LED 全彩顯示屏具有色彩豐富、高飽和度、高解析度、顯示頻率高等優(yōu)點。

1.1 P1.5高清LED全彩顯示屏系統(tǒng)構成

P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)是基于LED 顯示屏設備的大型電子設備工程系統(tǒng)[4]。它包括6 大模塊：LED 全彩顯示屏設備；LED 顯示屏控制系統(tǒng)；LED 顯示屏信息處理系統(tǒng)；LED 顯示屏配電系統(tǒng)；LED 顯示屏安全防護系統(tǒng)；LED 顯示屏結構框架工程。系統(tǒng)模塊構成如圖1所示。

P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)的各個構成模塊之間存在著緊密的聯系。

圖1 系統(tǒng)模塊構成

（1）LED 全彩顯示屏設備。包括顯示屏箱體、安裝片和LED 全彩顯示模組，用于顯示文本、圖像、視頻等。

（2）LED 顯示屏控制系統(tǒng)。包括LED 顯示屏控制卡、發(fā)送卡、通訊網線或光纖及配套轉接器或無線傳輸模塊等，用于數據信號的控制與傳輸。

（3）LED 顯示屏信息處理系統(tǒng)。包括音視頻處理器、外接轉換設備等，用于音視頻信號的獲取與處理。

（4）LED 顯示屏配電系統(tǒng)。包括顯示屏配電箱及內置遠程上電模塊，為整個LED 顯示屏系統(tǒng)提供電源。

（5）LED 顯示屏安全防護系統(tǒng)。包括防水、防塵、防雷、防震，以及防過壓、過流、短路、斷路等，用于整個LED顯示屏系統(tǒng)的保護。

（6）LED 顯示屏結構框架工程。包括鋼架結構的設計、制作，箱體和LED 模組的安裝，以及框架、包邊、立柱、基礎等工程內容，為LED 顯示屏的屏體安裝提供輔助支持。

1.2 系統(tǒng)拓撲圖

為了更直觀、更深入地理解系統(tǒng)的工作原理和各個模塊的功能，可參考P1.5 高清LED 全彩顯示屏系統(tǒng)拓撲圖，如圖2所示。

圖2 P1.5高清LED全彩顯示屏系統(tǒng)拓撲圖

從拓撲圖可知，音視頻切換矩陣從外接應用設備中獲取視頻源，并解析出全彩視頻信號與音頻信號，音頻信號可直接輸出至音響系統(tǒng)，全彩視頻信號必須經過視頻前端處理器處理后，方可輸出至全彩屏控制器。顯示屏控制機則提供必要的應用程序控制信號和計算機信號，并同步輸出至全彩屏控制器。視頻信號、控制信號和計算機信號在全彩屏控制器內進行綜合處理與控制，再通過通訊光纖把完整的顯示信息傳輸至全彩色顯示屏，使LED 顯示屏最終實現全彩色顯示。

2 P1.5 LED 全彩模組硬件原理設計

P1.5 高清室內LED 全彩顯示屏由P1.5 LED 全彩模組拼接而成。P1.5 LED 全彩模組硬件電路可分核心電路與輔助優(yōu)化電路兩個部分。相較于普通LED全彩模組，P1.5 高清室內LED 全彩模組具有更高的技術含量和更好的顯示效果。

2.1 模組功能電路

為了實現P1.5 LED 全彩模組的高清顯示，其硬件電路構成具備以下9 種功能電路：LED 顯示電路、行驅動電路、列驅動電路、譯碼電路、信號接口電路、信號處理電路、功率放大電路、芯片保護電路、暗亮消隱電路等。其中，前4種功能電路為核心電路，后5種功能電路為輔助優(yōu)化電路。LED全彩模組功能電路框圖如圖3所示。

圖3 P1.5 LED全彩模組功能電路

從模組功能電路框圖可知，信號接口電路包含信號輸入和信號輸出2部分，模組功能電路中使用的信號又分為數據信號、掃描信號和控制信號3種?？刂菩盘柋仨毾冗M行信號處理，再與數據信號、掃描信號共同進行功率放大。功率放大后的數據信號和控制信號直接輸入到列驅動電路，用于控制列驅動芯片并輸出數據信號?？刂菩盘杽t輸入到保護電路中，使保護芯片產生保護信號并輸出，且與掃描信號共同輸入至譯碼電路，通過譯碼芯片進行譯碼輸出并作用于行驅動電路，用于控制行驅動芯片。在行驅動輸出端增加暗亮消隱電路，可消除LED 顯示過程中出現的前后拖影現象。P1.5 LED 全彩顯示模組則在行驅動和列驅動的共同作用下，顯示出全彩圖像。經過功率放大后的掃描信號、控制信號和列驅動芯片輸出的數據信號，則共同用于本模組的信號輸出。

2.2 硬件原理設計

硬件原理電路的設計可以分為核心電路和輔助優(yōu)化電路兩大部分。核心電路分為4個部分：LED顯示電路、行驅動電路、列驅動電路和譯碼電路。本文將著重對LED 顯示電路、行驅動電路、列驅動電路和譯碼電路進行討論。

（1）LED顯示電路

LED 燈珠（SMD1010 封裝）為全彩色顯示元件，具有發(fā)光角度大、一致性好、散熱效果佳、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，專為P1.5 高端LED 顯示模組設計。

LED燈珠引腳及測試參數如圖4所示。由參數圖可知（測試溫度Ta=25 ℃），紅、綠、藍3色的測試電流分別為8 mA、5 mA、3 mA 時，3 種顏色的管壓降均值分別為2 V、3 V、3 V，亮度均值的配比則為3∶6∶1，正好為標準的亮度白平衡比例。因此，本次設計的燈珠電流以此參數為準。

圖4 LED燈珠引腳及測試參數

LED 燈珠為共陽極，第①腳須接行掃輸出，剩余3腳接對應顏色列驅動輸出。LED顯示電路[5]如圖5所示。圖中，H1 為陽極網絡，P1R0、P1G0、P1B0分別為紅、綠、藍3色的陰極網絡。

（2）行驅動電路

行驅動芯片STM4953 芯片（SO-8 封裝）為雙P溝道增強型MOS管，其內部包括2個獨立的P溝道金屬氧化物場效應管。它具有超低的導通電阻，適用于LED顯示屏驅動電路。

芯片引腳及內部結構如圖6 所示。圖中D 為漏極，G為柵極，S為源極。

圖5 LED顯示電路

圖6 STM4953芯片引腳及內部結構

根據P 溝道增強型MOS 管的工作原理，只有當源極S為高電平，柵極G為低電平時，漏極D才能輸出高電平，用于LED 顯示電路行掃。因此，S1、S2引腳接電源（置高電平），G1、G2 引腳接譯碼芯片輸出信號（74HC138BQ 輸出低電平有效），D1、D2引腳作為輸出端。行驅動電路如圖7所示。

圖7 行驅動電路

（3）列驅動電路

列驅動芯片MBI5041GFN 芯片（QFN24L 封裝）是專為LED 全彩顯示屏設計的驅動IC，內建16 位灰階控制的脈波寬度調變功能。芯片內建16 位位移緩存器，可將串行的輸入資料轉換成每個輸出通道的灰階像數，且芯片16 個恒流輸出通道所輸出的電流值不受輸出端負載電壓影響，并提供一致恒定的輸出電流。通過選用不同阻值的外接電阻，可調整芯片各輸出級的電流大小。此外，還可以藉由可程序化的6 位電流增益調整，控制整體LED 的驅動電流。芯片引腳如圖8所示，引腳說明如表1所示。

圖8 MBI5041GFN芯片引腳

表1 MBI5041GFN引腳說明

參照列驅動芯片的引腳說明，對列驅動電路進行如下設計。CLK1、STB1、OE1 分別接入到時鐘、鎖存、灰階引腳端，RD1_1為串行數據輸入，RD1_2為串行數據輸出，P1R0-P1R15為LED列驅動恒流輸出，UR1為外接電阻輸入（R1電阻為邊調，RR電阻為總調），VCC與GND分別接至電源端與接地端。列驅動電路如圖9所示。

圖9 列驅動電路

MBI5041GFN 芯片外接電阻Rext調整輸出電流（Iout），可套用下列公式計算輸出電流值：VR-EXT=0.61Volt×G；Iout=(VR-EXT/Rext)×23，原始G值設定值為1。參照輸出電流計算公式和已知目標電流值，可推算外接電阻Rext的阻值。紅、綠、藍外接電阻取值如下。

紅色：Iout=8 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=1 754 Ω

綠色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=2 806 Ω

藍色：Iout=5 mA；Rext=(VR-EXT/Iout)×23=4 677 Ω

外接電阻Rext的阻值由邊調及總調共同組合而成。每個列驅動芯片均有1個邊調電阻，整個LED全彩模組只有1 個總調，因此邊調電阻必須全部并接，再串接總調電阻接地。根據LED 全彩模組像素大小，紅、綠、藍三色驅動芯片各需32 個，即每種顏色均有32 個邊調電阻。外接電阻Rext、邊調電阻Ra、總調電阻Rx，三者之間存在以下關系：Rext=Ra+32×Rx。按照常用電阻阻值表及推算出的外接電阻阻值，紅、綠、藍3色邊調電阻與總調電阻可近似取值如下。

紅色：Rext=1 754 Ω；Ra=820 Ω；Rx=30 Ω

綠色：Rext=2 806 Ω；Ra=1 200 Ω；Rx=51 Ω

藍色：Rext=4 677 Ω；Ra=1 500 Ω；Rx=100 Ω

（4）譯碼電路

譯碼電路原理圖如圖10 所示。模組掃描方式亦為1/16掃，控制線同為16根（S0～S15）。譯碼電路[6]所用芯片為74HC138BQ（DHVQFN16封裝），此芯片為3 線-8 線譯碼器。其中，Q 為保護信號，接入至引腳，用于譯碼芯片保護。A、B、C、D為掃描信號，按照譯碼芯片的功能真值表進行電路連接。通過使用2個3線-8線譯碼器，亦可組成1/16掃譯碼電路。

圖10 譯碼電路原理圖

（5）信號處理電路

P1.5 LED全彩模組原理設計[7]中，信號處理電路將專門針對控制信號來進行?？刂菩盘栔?，時鐘CLK、鎖存STB、灰階OE，三者缺一不可，它們是否正常工作將直接影響全彩模組能否正常顯示。信號處理電路對控制信號主要起兩點作用。一是LED全彩模組電路[8]中，CLK、STB為上升沿有效，OE為低電平有效。P1.5 LED 全彩模組上電時，將CLK、STB、OE 置為初始高電平，在無控制信號輸入狀態(tài)下，可保證全彩模組不顯示，對LED 燈珠起保護作用。二是輸入的控制信號高電平（TTL電路）可能低于電路最低高電平（CMOS 電路），電路抗干擾能力差，受外界干擾易造成全彩模組顯示不正常。信號處理電路可拉升高電平，并極大地改善電路抗干擾能力，提高電路穩(wěn)定性。

（6）功率放大電路

P1.5高清全彩顯示屏[9]是由若干數量的LED全彩模組拼接而成，模組內部電路復雜，對信號的驅動能力要求極高，為保證顯示屏正常工作，模組必須增加功率放大電路，用于增強信號的驅動能力。功率放大電路所用芯片為74HC245BQ（DHVQFN20 封裝），它是一種三態(tài)輸出、八路信號收發(fā)器，主要用于增強電路驅動能力。芯片引腳及功能表如圖11所示。

圖11 74HC245BQ芯片引腳及功能表

圖12 功率放大電路

（7）芯片保護電路

LED 全彩模組使用74HC123BQ 芯片進行電路保護，它是一款高速CMOS器件，為雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度可以由3種方式控制。一是通過選擇外部定時元件Cext 和Rext 的值來確定脈沖寬度；二是通過正觸發(fā)輸入端（nB）或負觸發(fā)輸入端（）的重復觸發(fā)延長twp；三是通過清零端（）的清零使twp縮小。芯片引腳及功能表如圖13所示。

圖13 74HC123BQ芯片引腳及功能表

圖14 芯片保護電路

3 結束語

LED 全彩顯示屏將以其更生動、更豐富的顯示內容、更大的創(chuàng)意空間，全面滿足個性化需求，同時具備數字時代的傳播概念，未來將逐步成為視頻顯示的主流產品。LED 顯示屏在社會經濟生活中的具體應用領域主要包括：（1）證券交易和金融信息顯示；（2）調度指揮中心信息顯示；（3）商場和購物中心信息顯示；（4）車站和港口旅客引導信息顯示；（5）道路交通信息顯示；（6）機場航班動態(tài)信息顯示；（7）展覽會和直播演出；（8）體育場館信息顯示；（9）廣告媒體；（10）LED多媒體電視等。

P1.5 高清室內LED 全彩顯示屏的電路設計，其結果符合設計要求，達到了預定的目標和效果。P1.5高清LED 全彩顯示屏的硬件原理設計主要圍繞核心電路和輔助優(yōu)化電路兩大部分進行，本文著重對譯碼電路、行驅動電路和列驅動電路進行了討論。通過各功能電路的設計，最終完成了高端LED 全彩顯示屏模組電路設計。